DE2630992C2 - Abstimmbarer Mikrowellenoszillator mit Mischstufe - Google Patents

Abstimmbarer Mikrowellenoszillator mit Mischstufe

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DE2630992C2 DE19762630992 DE2630992A DE2630992C2 DE 2630992 C2 DE2630992 C2 DE 2630992C2 DE 19762630992 DE19762630992 DE 19762630992 DE 2630992 A DE2630992 A DE 2630992A DE 2630992 C2 DE2630992 C2 DE 2630992C2
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Description

an den einen Pol der Gleichspannungsquelle 3, der andere Anschluß der Diode 2 und der Kollektor des Transistors 1 an den anderen Pol der variierbaren Gleichspannungsquelle 1 (im Beispielsfalle über Masse) gelegt Dabei ist wie noch näher dargelegt wird, die Spannungs-Versorgung sowohl für den Transistor 1 als auch für den noch zu beschreibenden Transistor im Mischer gemeinsam über eine Drosselspule gesichert, die im Hauptpatent keine Erwchnung findet
Zwischen Basis und Emitter des Transistors 1 ist die feste Gleichspannungsquelle 4 wirksam, wobei die Emittervorsparinung zweckmäßig über einen festen Vorwiderstand 6 der Emitterelektrode des Transistors 1 zugeführt ist Die beiden Wideiitände 5 und 6 sind so bemessen, daß sie die Güte des Oszülatorschwingkreises nicht beeinträchtigen. Ihr jeweiliger Widerstandswert beträgt beispielsweise \2 bis 1,8 kOhm.
Die beiden Kondensatoren 7 und 8 sind so bemessen, daß sie gegenüber den Schwingungen im Oszillatorschwingkreis nur einen kleinen Widerstand, hinsichtlich der Spannung der BciriebsstromqueHer. 3 bzw. 4 praktisch unendlich großen Widerstand aufweise;=, so daß durch ihre Anwesenheit die Schwingungen im Oszillator sich nicht auf die Betriebsspannungsquellen übertragen. Sie sind beispielsweise auf 1,5 nF (also 10~9 As/V) eingestellt
Die bisher beschriebenen Teile der F i g. 1 sind bereits in der F i g. 1 und 2 des Hauptpatents unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen dargestellt
Im Falle der vorliegenden Erfindung geht das an der Basis des Oszillator-Transistors 1 erscheinende Signal durch die Verkopplung 10 der Leitungen 11,12 auf eine nachgeschaltete Mischstufe. Dies ist auch möglich, wenn der Transistor 9 der Mischstufe in integrierter Halbleitertechnik mit einer der im Hauptpatent dargestellten IC-Anordnungen zusammengefaßt werden soll.
Die mit der Oszillatorfrequenz zu mischenden Fremdsignale werden über den Eingang 23 an den Emitter und über Masse und den Kondensator 20 an die Basiselektrode des Mischtransistors 9 gelegt
An Punkt 21 kann die Betriebsspannung für den Transistor 9 der Mischstufe angelegt werden. Der Transistor 9 entspricht bezüglich seines Charakters dem Transistor 1 der Oszillatorstufe. Ist der Transistor 1 ein npn-Transistor (wie im Beispielsfalle), so ist auch der Transistor 9 ein npn-Traiisistor.
Im übrigen werden die beiden Transistoren 1 und 9 ihren jeweiligen Funktionen entsprechend ausgelegt bzw. gewählt. Dies bedeutet, daß der Transistor 1 nach optimalen Oszillatoreigerischaften, d. h. also vor allem gute Schwingstabilität über den ganzen Frequenzbereich des Oszillators und auch auf eine ausreichende Leistungsabgabe an die Mischstufe; der Transistor 9 hingegen auf optimalen Mischbetrieb und auf kleine Emitter-Basiskapazität getrimmt ist.
Zur Erzeugung der Vorspannungen für den Emitter und die Basis des Transistors 9 dient die Kombination der Widerstände 17,18,19 und der Anschluß 21.
Dieser kann mit einer zwischen Masse und dem Anschluß 21 gelegten zusätzlichen Gleichspannungsquelle beaufschlagt werden. Man kann aber auch, wie in F i g. ] angedeutet, die die Emitter-Basisspannung des Transistors 1 liefernde Spannungsquelle 4 zur Versorgung des Emitterkreises des Mischtransistors 9 heranziehen, indem man beispielsweise den negativen Pol von 4 an den Anschluß 21 legt
Der Kondensator 20 'tr,t die Aufgabe, die Basis des Transistors 9 hochfrequenzmäßig an Masse zu legen und den Transistor 9 in Basisschaltung zu betreiben. Er ist beispielsweise auf 470 pF (also 470 IC-" AsAQ bemessen. Der Ableitungskondensator 14 hat die Aufgabe, mit der Spule 22 und dem Kondensator 16 den Zwischenfrequenz-Schwingkreis zu bilden. Andererseits soll er der Ableitung der Oszillatorfrequenz dienen. Er ist also so zu bemessen, daß die Oszillatorfrequenz abgeleitet die Zwischenfrequenz, z. B. 35 MHz, durch ihn gesperrt wird. Sein Kapazitätswert kann z. B. 8,2 pF, die des Kondensators 16 z. B. 22 nF betragen. Die Induktivität der Schwingkreisspule 22 ist auf 190 bis 400 η Hy (=13 — 4 10-7 Vs/A), die der Ableitungsdrossel 24 auf etwa 4,5 μΗγ (=4,5 10-° Vs/A) ausgelegt Der Festwiderstand 15 hat die Aufgabe, die Bandbreite im ZF-Kreis festzulegen. Er wird beispielsweise auf 6,8 kOhm festgelegt.
Der Widerstand 17, z. B. 8,2 kOhm.. hat die Aufgabe, die Basisspannung für den Transistor 9 zu liefern. Der etwa derselben Aufgabe dienende Widerstand 18 wird beispielsweise auf 33 kOhm ausgelegt während der Widerstandswert des den Emitterstrom e^grenzenden Widerstands 19 niedriger, z. B. auf 680 Ohm, bemessen ist. Für den Abblockkondensator 13 können beispielsweise Kapazitätswerte von etwa 100 nF eingesetzt werden.
Um den Mischtransistor 9 mit der von dem Transistor
I gelieferten Oszillatorschwingung zu beaufschlagen, muß man für eine ausreichende Kopplung zwischen dem Basis-Kollektorkreis des Oszillatortransistors 1 und dem Emitter-Basiskreis des Misditransistors 9 sorgen. Man muß also durch eine in entsprechend engem Abstand erfolgende Parallelführung von Leitungsteilen
II bzw. 12 der beiden Kreise für eine ausreichende kapazitive Kopplung 10 bzw. induktive Kopplung beider Kreise sorgen oder extra einen Kondensator zu diesem Zweck vorsehen. Das erforderliche Ausmaß richtet sich ersichtlich auf die Rausch- und Aussteuereigenschaften des Transistors 9 und kann, wie z. B. anhand" von F i g. 3 gezeigt, auch durch Leitbahnen an der Oberfläche einer monolithischen, integrierten Ausführungsform geleistet werden.
Z-sammenfassend ist also festzustellen: der den Mikrowellenoszillator betreffende Teil der Schaltung entspricht der Lehre des Hauptpatents und ist durch die Teile 1 bis 8 und den Kondensator 14 der in Fig. 1 dargestellten Schaltung realisiert. Der Mischer ist durch den Transistor 9 gegeben. Seine Versorgungsspannung wird über die Klemme 21 zugeführt und kann z. B. durch die Stromquelle 4 geleitet werden. Sein Arbeitspunkt wird mit den Widerständen 17,18 und 19 eingestellt. Für das Oszülatorsignal stellt der Ableitungskondensator 14 einen Kurzschluß dat. Das ZF-Signal wird durch Anordnung der Teile 14, 15, 22 und 16 herausgefiltert. Die Zuleitungsdrossel 24 verbindet die Kollektoranschlüsse beider Transistoren 1 und 9 mit Masse. Das auszuwertende Fremdsignal kann an der Klemme Zl eingekoppelt werden. Ferner ist für eine Übertragung der Oszillatorfrequenz auf den Emitter des Mischtransistors 9 gesorgt.
Die in den F i g. 7 und 3 dargestellte Ausführungsform stellt eine Integration der beiden Transistoren 1 und 9 sowie der Abstimmdiode 2 dar. Diese Elemente sind sämtlich in einer n- oder einer p-leitenden qjitaktischen einkristallinen Siliciumschicht 27 erzeugt, die an der Oberfläche eines hochdotierten Siliciumkristalls 26 vom gleichen Leitungstyp przeugt ist. Die Abstimmdiode 2 besteht aus der Zone 27, der an sie angrenzenden Zone 28 vom gleichen Leitungstyp aber schwächerer Dotieru. ι sowie einer hochdotierten Zone 29 vom entgegen-
gesetzten Leitungstyp. Die Kontaktierung der Zone 27 erfolgt über das Substrat 26, die Kontaktierung der Zone 29 über eine Leitbahn 31, die an einer die Oberfläche der Anordnung mit Ausnahme der Kontaktierfenster lückenlos bedeckenden Isolierschicht, z. B. SKVSchicht, 30 aufgebracht ist. Die Diode ist also als abrupte bzw. hypembrupte Abstimmdiode 2 aufgestaltet.
Der Oszillatortransistor 1 besteht aus der Kollektorzone 27, der Basiszone 32 und der Emitterzone 33. Dementsprechend hat die Zone 32 den zu den Zonen 26,27, 28 entgegengesetzten Leitungstyp. Sind z. B. die Zonen 26, 27„ 28 η-leitend, so wird die Basiszone des Transistors I p-leitend und die in sie eingelassene Emitterzone 33 wiederum η-leitend. Analoges gilt für die den Mischtransistor 9 darstellende Zoncnfolge 27,35 und 36.
Auf der Isolierschicht 30 aufgebrachte elektrische Leitbahnen 31, 34, 38 und 37 vervollständigen die Anordnung. Dabei verbindet die: Leitbahn 31 die Zone 29 der Diode 2 mit der Basiszone 32 des Oszillatortransistors 1, während die Leitbahn 34 der Kontaktierung der Emitterzone 33 des Transistors 1, die Leitbahn 38 der Kontaktierung der Basiszone 35 des Mischertransistors 9 und die Leitbahn 37 der Verdopplung mit dem Oszillatorkreis und der Kontaktierung der Emitterzone 36 des Transistors 9 dient.
Zur Realisierung wird man zweckmäßig eine Geometrie verwenden, wie sie aus F i g. 3 ersichtlich ist. Sie zeigt die Außenseite der SiOrSchicht 30 mit den aufgebrachten Leitbahnen, wobei die Umrisse der zuerst in der epitaktischen Schicht 27 durch entsprechendes maskiertes; Eindiffundieren von Dotierungsstoffen erzeugten Zonen 28,32 und 35 gestrichelt angedeutet sind. Die Anschlußstelle der Leitung 3:1 ist mit 40, die der Leitbahn 34 und damit des Emitters 33 des Oszillatortransistors 1 mit 42 und die Anschlußstelle der Leitbahn 38, 3s also der Basiszone 35 des Misch transistors 9 mit 41 bezeichnet.
Offensichtlich entsprechen die Leitungen 31 und 37 den in Fig. 1 mit 11 und 12 bezeichneten Leitungen im Basis-Kollektorkreis des Oszillatortransistors 1 und im Emitter-Basiskreis des Mischtransistors 9. Sie sind deshalb in geringem Abstand, z. B;. in einer Entfernung von 5—20 μπι, und auf eine längere Strecke, z. B. eine Länge von 50—300 μπι, zueinander parallel geführt Man kann dann mit Koppelkapazitäten von etwa 1 pF bzw. Koppelinduktivitäten von etwa 5011 Hy rechnen.
Weiitere Elemente der Schaltung, insbesondere Widerstände und Kondensatoren können ggf. noch in Halbleitertechnik realisiert und in die Schaltung gemäß F i g. 2 und 3 eingebaut werden.
Zusammenfassend kann also zu den F i g. 2 und 3 folgendes festgestellt werden:
Zone 26 ist ein stark dotiertiss, ζ. B. η+-leitendes Substratmaterial Auf diesem Substratmaterial ist eine wesentlich schwächer dotierte epitaktische Zone 27 vom Leitungstyp des Substrats aufgebracht In dieser ist die Diode 2, bestehend aus den 2ionen 27, 28 und 29, der Transistor 1, bestehend aus den Zonen 27,32 und 33 und der Transistor 9, bestehend au;; den Zonen 27,35 und 36 durch maskierte Diffusions- bzw. Implantationstechnik eo erzeugt
Die Basis des Oszillatortransistors 1 ist über die Verbindunigsleitung 31 mit der Anode der Abstimmdiode 2 verbunden. Die Verbindungjsleitung 31 wirkt als Schwingkreisinduktivität für den Oszillator. Über den es Anschluß 37 erhält der Emitter des Mischtransistors das Nutzsignal und den Versorgwrigsstrom. Das Oszillatorsignal wird über die Verbindungsleitung 37 eingekop pelt. Der Emitter 36 des Mischtransistors 9 ist als diffundierter Emitter ausgeführt. Noch günstiger wäre wegen des Fehlens von Minoritätsträgern ein als Schottkykontakt ausgebildeter Emitter, da man dann auch einen erhöhten Mischgewinn hätte. Der Mischtransistor 9 ist so zu dimensionieren, daß er ausreichend Verstärkung Üür die gewünschte ZF aufweist. Die Eingangsstrecke 37 des Mischtransistors 9 sollte jedoch geringste parasitiire Schaltungselemente und minimale Speicherzeiten aufweisen. Darunter ist zu verstehen, daß vor allem Kapazitäten parallel zur Basis-Emitterstrecke vermieden werden sollen, da dadurch das Durchsteuerverhalten dieser Strecke verschlechtert wird.
Der Einsatz einer Vorrichtung gemäß der Erfindung empfiehlt sich u. a. vor allem als Tuner auf dem Fernsehgt·biet oder bei sogenannten Spcktraianalysatoren, d. h. alle Anwendungen im Mikrowellenbereich, bei denen ein großer Frequenzbereich, z. B. 1 Oktave, bearbeitet werden muß.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikrowel-
Patentansprüche: Ienoszillator mit Mischstufe nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
l.Ahstimmbarer Mikrowellenoszillator mit einem Solche Mikrowellenoszillatoren sind in dem Haupt-Transistor (1), einer Abstimmdiode (2), Kondensato- 5 patent 26 08 451 beschrieben. Sie sind insbesondere für ren (7, 8), Widerständen (5) und einem die Schwin- den Einsatz in Tunern von Fernsehempfängern vorgesegungen abgebenden Signaiausgang (an 11), mit ei- hen. Dabei handelt es sich um die Konstruktion von nem durch die Basis-Kollektorstrecke des Transi- Oszillatoren für solche Tuner, die — um den erforderlistors (1), die Abstimmdiode (2) und Zuleitungsinduk- chen Gesamtfrequenzbereich überstreichen zu können, tivitäten gebildeten Schwingkreis des abstimmbaren 10 im Bereich 0—1 GHz durchstimmbar sind und einen Mikrowellenoszillators, und mit einer Verbindung Frequenzdurchstimmbereich /von etwa 1 GHz aufweider Basis des Transistors (1) mit einem Anschluß und sen. Sie lassen sich außerdem auf verhältnismäßig einfades Kollektors des Transistors; (1) mit dem anderen ehe Weise in monolithisch integrierter Halbleitertech-Anschluß der Abstimmdiode (2), derart, daß bei der nik herstellen.
Beaufschlagung des Transistors (1) mit seinen Be- 15 Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu-
triebspotentialen der pn-Obergang der Abstimm- gründe, eine Möglichkeit der Kombination eines Mikro-
diode (2) in Sperrichtung liegt, gekennzcich- wellenoszillators nach dem Hauptpatent mit einer
net durch eine durch einen weiteren Transistor Mischstufe anzugeben, derart, daß eine monolithische
(9) gebildete Mischstufe. integrierte Verbindung der Mischstufe mit dem Mikro-
eine Abhaltung des Kollektors des Transistors 20 wellenoszillator ohne weiteres möglich ist.
(1) an den Kollektor des weiteren Transistors (9), Diese Aufgabe wird bei einem Mikrowellenoszillator
dessen Emitter einen Eingang (23) für ein mit dem der eingangs genannten Art durch die Merkmale des
Oszillatorsignal zu mischendes Fremdsignal bildet, kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst
eine Anschaltung eines Zwischenfrequenzkreises Unter der Bezeichnung »selbstschwingende Mischer« (14,16,22) an die miteinander verbundenen Kollek- 25 gibt es Schaltungsanordnungen, bei denen ein Oszillator toren der beiden Transistoren (1,9), in dem ein Kon- zugleich als Mischer eingesetzt ist Dieses Prinzip läßt densator (14) als Ableitungskoridensator für das Os- sich auch bei den L*h Hauptpatent beschriebenen abzillatorsignal in den Kollektor-Basiskreisen der bei- stimmbaren Mikrowellenoszillatoren anwenden. So den Transistoren (1,9) liegt, und kann man z. B. bei den in F i g. 1 und F i g. 2 des Haupteine kapazitive oder induktive Ankopplung (10) 30 patents dargestellten Schaltungen die mit »10« bezeichdes Kollektor-Basiskreises des Transistors (1) an den neten Anschlüsse für die Zuführung von Fremdsignalen Emitter-Eingangskreis (23) des weiteren Transistors verwenden, während die Ausgänge »11« und »12« auf (9). einen Zwischenfrequenzschwingkreis geschaltet sind.
2. Mikrowellenoszilk:or nach Anspruch 1, da- Eine solche Lösung hat aber nicht für alle Fälle ausdurch gekennzeichnet, daü der Zwischenfrequenz- 35 reichende Großsignaleigenschaften, so daß sich in mankreis aus dem Ableitungskondensator (14), einem chen Fällen, z. B. bei Fernsehtunern, der Einsatz von weiteren Kondensator (16) und: einer abstimmbaren fremdgesteuerten Mischern besser bewährt hat Man Induktivität (22) gebildet ist hat nämlich dann den Vorteil, daß jedes Element der
3. MikroweHenoszillator nach Anspruch 1 oder 2, Anordnung für sich optimiert werde.» kann.
dadurch gekennzeichnet daß der Ableitungskon- 40 Die Erfindung und die durch sie erzielten Vorteile
densator (14) von einer zu ihm parallelgeschalteten werden nun anhand der F i g. 1 bis 3 näher dargelegt
und der Stromversorgung der Kollektoren der bei- Dabei ist in
den Transistoren (1,9) dienenden Drossel (24) über- F i g. 1 ein Schaltbetspiel, in
brückt wird, welche die Oszillatorfrequenz und ggf. F i g. 2 eine Ausführung in IC-Technik im Schnitt
auch die Zwischenfrequenz blockiert. 45 und eine topologisch etwas abgewandelte Anordnung
4. MikroweHenoszillator nach einem der Ansprü- in
ehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens F i g. 3 in Aufsicht dargestellt
der Oszillatortransistor (1), der Mischtransistor (9) Bei dem in Fig. 1 dargestellten Schaltschema einer
und die Abstimmdiode (2) monolithisch in einem ein- Anordnung gemäß der Erfindung ist die Kollektor-Bazigen Halbleiterkristall zusammengefaßt sind. st sisstrecke eines bipolaren Transistors 1, z. B. eines npn-
5. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 4. da- Transistors, entsprechend den Ausführungen des durch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Halb- Hauptpatents mit einer Abstimmdiode 2 überbrückt !eiterkristalls mit einer nur die Kontaktstellen des und damit der Schwingkreis des Mikrowellenoszillators Halbleiterkristalls freilassenden Isolierschicht (30) gegeben. Als Schwingkreiskapazität dient somit die abgedeckt, daß auf dieser zu den Elektroden der 55 Summe der Transistorkapazität Csc und der jeweils einbeiden Transistoren (1,9) und der Abstimmdiode (2) gestellten Kapazität der Abstimmdiode 2 Als Schwingführende elektrische Leitbahnen aufgebracht sind, krcisinduktivität ist die Summe der Induktivität des daß dabei eine die Anode der Abstimmdiode (2) mit Transistors 1 und der Diode 2 sowie die der zugehörigen der Basis des Oszillator-Transistors (1) leitend ver- Verbindungsleitungen wirksam.
bindende Leitbahn (31) und eine dem Anschluß der 60 Zum Betrieb der Anordnung werden zwei Vorspan-Emitterzone des Mischtransistors (9) dienende Leit- nungen 3 und 4 benötigt Die Gleichspannung 3 ist auf bahn (37) vorgesehen ist und daß schließlich die bei- verschiedene Spannungswerte eines Spannungsbereiden Leitbahnen auf der Isolierschicht (30) derart ne- ches einstellbar und liefert die Kollektor-Basisspannung beneinander geführt sind, daß eine merkliche Über- des Transistors 1 und die Betriebsspannung für die Abtragung der Oszillatorschwingung zwischen den bei- 65 stimmdiode 2, die natürlich als pn-Obergang in Sperrden Leitbahnen gewährleistet ist. richtung betrieben werden muß. Zu diesem Zweck ist
außerdem die Basiselektrode des Transistors 1 und der eine Anschluß der Diode 2 über einen Festwiderstand 5
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