DE2631680C3

DE2631680C3 - Quarzstabilisierter Transistoroszillator

Info

Publication number: DE2631680C3
Application number: DE19762631680
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 8905 Mering Thanhaeuser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-07-14
Filing date: 1976-07-14
Publication date: 1978-12-21
Also published as: DE2631680B2; DE2631680A1

Description

Die Erfindung betrifft einen quarzstabilisierten Transistoroszillator vom Colpitts-Typ, der einen Schwingquarz mit einer Schwingfrequenz größer als MHz aufweist, bei dem die Basis des Schwingtransi- »tors an einem und der Kollektor am anderen Ende des kapazitiven Spannungsteilers liegt, bei dem zwischen Abgriff des kapazitiven Spannungsteilers und Emitter ^w des Schwingtransistors ein ohmscher Widerstand angeordnet ist und bei dem die Basis des genannten Schwingtransistors mit einem variablen Spannungsteiler aus einem Transistor und ohmschen Widerständen verbunden und der Transistor des Spannungsteilers " abhängig von der Oszillatorausgangsspannung getteu.ärt ist

Ein derartiger quarzstabilisierter Transistoroszillator ist bereits aus der DE-AS 22 62 782 bekannt.

Wählt man bei solchen Quarzoszillatoren die Art der ^Ml Begrenzung durch entsprechende Dimensionierung so. daß ihr Einfluß auf die Frequenzkonstanz gering bleibt, so stört eitle nichtlineare Arbeitsweise der OszÜlatorstu^ fen in den meisten Fällen nicht Bei Auskopplung der Oszillatorspannung an dem frequenzbestimmenden ^h1 Schwingkreis des Rückkopplungsnetzwerkes erhält man außerdem eine klirrarme Spannung, da die Betriebsgüte des Schwingkreises eine ausreichende Dämpfung der durch die nichtlineare Begrenzung entstehenden Harmonischen bewirkt

Bei Quarzoszillatoren für höhere Ansprüche wird man in der Regel wegen der stark streuenden Quarzgüten eine Amplitudenregelung oder zumindest eine definierte Begrenzung, beispielsweise mit Dioden, vorsehen. Die Erzielung einer sinusförmigen Ausgangsspannung ohne zusätzlichen Selektionsaufwand erfordert neben der Amplitudenregelung eine genügend kleine Aussteuerung der Schwingstufe, wobei die Steuerspannung an der Emitter-Basis-Strecke des Oszillatortransistors einige Millivolt nicht überschreiten darf. Auf die Oszillatorstufe muß deshalb in der Regel ein Trennverstärker folgen, der die Oszillatorspannung auf den geforderten Wert des Ausgangspegels verstärkt Diese Art der Schaltungstechnik ist in all den Fällen sinnvoll, wo man sowieso aus Gründen einer möglichst kleinen Quarzalterung den Quarzschwingstrom sehr klein halten muß (Präzisionsgeneratoren im Thermostaten).

Verwendet man jedoch die Oszillatoren in Phasenregeischleifen, so ist die Alterung des Quarzes infolge des Schwingstromes gegenüber anderen Effekten vernachlässigbar, so daß eine höhere Aussteuerung der Schwingstufe möglich ist Die Erfahrungen mit phasengeregelten Trägererzeugern haben jedoch gezeigt, daß die am Ausgang auftretenden Nebenwellen nicht nur durch die Phasenmodulation bedingt sind, die durch die Restwelligkeit der Ausgangsspannung des Phasendiskriminators entsteht, sondern daß darüber hinaus die einzelnen spektralen Komponenten dieser Restwelligkeit auch additiv in der Oszillatorausgangsspannung erscheinen. Die zuletzt genannte Störung läßt sich durch eine höhere Aussteuerung der Oszillatorstufe entsprechend reduzieren.

Aus der Zeitschrift »Funkschau«. 1972, Heft 9, Seite 305. Bild 1, ist außerdem ein variables Dämpfungsglied für den VHF- und UHF-Bereich bei Fernsehempfängern bekannt, bei dem eine Pin-Diode, der ein ohmscher Widerstand parallH geselltet ist, verwendet wird. Die Klirrfreiheit wird bei dieser Anordnung jedoch nur im Zusammenwirken mit einem speziell entwickelten Transistor erreicht, der bei großem Kollektorstrom eine lineare Kennlinie aufweist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Quarzoszillatorschaltung mit Transistoren zu schaffen, die trotz hoher Aussteuerung der Schwingstufe einen niedrigen Klirrfaktor aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird der quarzstabilisierte Transistoroszillator der eingangs genannten Art derart ausgebildet, daß parallel zum ohmschen Widerstand, der zwischen Abgriff des kapazitiven SpannungstPilers und Emitter des Schwingtransistors liegt, eine Pin-Diode angeordnet ist.

Durch Verwendung einer Pin-Diode zu Amplitudenregelung lassen sich im Frequenzbereich oberhalb 2 MHz Quarzoszillatorschaltungen realisieren, bei denen die Schwingstufe ohne Verwendung von Spezialtransistoren vergleichsweise hoch aussteuerbar ist und trotzdem angenähert linear arbeitet. Der Verstärkungsfaktor der Trennstufe läßt sich damit erheblich reduzieren und der Nebenwellenabstand, soweit dieser durch additive Störspannungen bedingt ist,- wird vergrößert Die Schaltung ist außerdem für einen aperiodischen Betrieb durch einfaches Auswechseln des Quarzes in einem Frequenzbereich von etwa einer Oktave bei gleichbleibender Dimensionierung der Schaltung geeignet

Der Transistoroszillator ist weiterhin so ausgebildet, daß die Regelgleichspannung für den Transistor des Spannungsteilers über einen zweistufigen gleichstromgekoppelten Trennverstärker, der zugleich die Oszillatorwechselspannung verstärkt, erzeugt ist

Weiterhin kann im Ausgangskreis des Trennverstärkers ein abgestimmter Übertrager mit kapazitiver Unterteilung zur Transformation des Lastwiderstandes liegen.

Dadurch wird eine möglichst hohe Ausgangsleistung der Oszillatorschaltung erzielt

Im Emittergleichstromkreis des Schwingtransistors läßt sich ferner eine Diodenkette zur Erzeugung der Vorspannung des nachgeschalteten Trennverstärkers verwenden.

Anhand der Ausführungsbeispiele nach den F i g. 1 und 2 wird die Erfindung näher erläutert

Die Arbeitsweise einer Pin-Diode läßt sich stark vereinfacht beschreiben, indem man ihr das Verhalten einer normalen Ρίπ-Siliziumdiode im Bereich unter einer bestimmten Frequenz zuordnet und oberhalb dieser Frequenz ein rein ohmsches Verhalten annimmt, wobei der Wert dieses ohmschen Widerstandes umgekehrt proportional zum Diodengleichstrom ist

Schaltet man, wie in F i g. 1 zu sehen, in die Emitterzuführung des Verstärkertransistors 71 eine Parallelschaltung einer Pin-Diode Dl und eines Widerstandes von beispielsweise 510Ω (Rl), so ist die wirksame Steilheit des Transistors im wesentlichen durch den Widerstand der Pin-Diode gegeben. Im interessierenden Bereich der Kennlinie der Pin-Diode von zirka 0,55 V bis 0,7 V kann man den Strom durch den Widerstand R 1 als fast konstant annehmen. Das bedeutet, daß bei einem Emitterstrom von 1 mA die Pin-Diode praktisch ausgeschaltet ist und die wirksame Steilheit zirka 2 mA/V beträgt. Bei einem Emitterstrom von 3 mA fließen etwa 1,6 mA durch die Pin-Diode; das entspricht etwa einem Widerstand von 25Ω und einer Steilheit von 30 mA/V.

Die Schwingschaltung in Fig. 1, eine kapazitive Dreipunkts..haltung mit den Kondensatoren Cl und C2. ist so dimensioniert daß die Wechselstromamplitude des Kollektorstromes von 71 im ganzen Regelbereich unter 1 mA bleibt so daß der Transistor immer im A-Betrieb arbeitet. Die Verstärkungsregelung erfolgt über den Emitterstrom von 71, wobei die Regelspannung über den variablen Spannungbteiler R 4, R 5 und 72 der Basis von T1 zugeführt wird.

Die Oszillatorwechselspannung wird am Emitteiwiderstand R 2 abgenommen und über den zweistufigen Trennverstärker mit den Transistoren 74 und 73

verstärkt 74 und 73 sind gleichspannungsmäßig in Reihe geschaltet, um die Stromaufnahme niedrig zu halten. Die Spannungsverstärkung ergibt sich aus dem Verhältnis von R10 zu A3, das den Gegenkopplungsfaktor der Stufe mit dem Transistor 74 festlegt Über den Kondensator CS ist ein Emitterfolger mit dem Transistor 73 an den Kollektor von 74 angekoppelt Der Emitterstrom von 73 bzw. der Kollektorstrom von 74 fließt über den Widerstand R 12. Dieser Widerstand dient nur der Gleichstromversorgung ohne eine Wechselspannungsleistung zu verbrauchen, weil die Wechselspannungspotentiale am Kollektor von 74 und am Emitter von 73 nahezu gleich groß und zueinander in Phase sind.

Der niederohmige Ausgang des Emitterfolgers speist außer der externen Last noch die Regelspannungsgleichrichtung zur Amplitudenregelung. Die Diode D 3 ist über R 8 und R 9 mit einem Tyil der Versorgungsspannung in Sperrichtung vorgespannt. Der Querstrom durch RH und R 9 soll um etwa eine Größenordnung über dem durch R 7 eingeprägter 3asisstrom von 72 liegen, damit der Richtstrom der Diode Di ohne Einfluß auf die Vorspannung bleibt. Erreicht nun die Amplitude der Ausgangswechselspannung den Wert dieser Vorspannung, so wird durch den Richtstrom von D 3 der Basis- bzw. Kollektorstrom von 72 reduziert, wobei die Basisgleichspannung des Oszillatortransistors ebenfalls sinkt, bis der für stationären Schwingbetrieb erforderliche Wert des Widerstandes der Pin-Diode bzw. des Emitterstromes erreicht ist

Als FührungsgröOe der Regelung wirkt hier die über R 8 und R 9 geteilte Betriebsspannung; der Temperaturkoeffizient der Diode D 3 kompensiert sich mit dem der Emitter-Basis-Diode von TZ Das RC-Glied R 5, C3 bildet eine frequenzabhängige Gegenkopplung für den Regeltransistor 72 ur.d vergrößert bei geeigneter Dimensionierung die Stabilitätsreserve der Regelschaltung.

F i g. 2 der Anlage zeigt eine Variante der Or zillatorschaltung, die bis auf die Trennstufe mit der vorher beschriebenen weitgehend gleich ist Der Emittergleichst om von 71 durchfließt hier eine Diodenkette D 3 bis Dd, die der Vorspannungserzeugung einer Kaskadenschaltung mit den Transistoren 74 und 73 dient Die Diodenkette bzw. die Basis von 73 sind über den Kondensator C9 abgeblockt Der obere Feil der Kaskadenschaltung mit dem Transistor 73 speist einen abgestimmten Übertrager mit kapazitiver Unterteilung zur Transformation des Lastwiderstandes. Der gute Wirkungsgrad dieser Anordnung liegt in der hohen Aussteuerbarkeit bei minimaler Rückwirkung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Quarzstabilisierter Transistoroszillator vom Colpitts-Typ, der einen Schwingquarz mit einer Schwingfrequenz größer als 2 MHz aufweist, bei dem die Basis des Schwingtransisiors an einem und der Kollektor am anderen Ende des kapazitiven Spannungsteilers liegt, bei dem zwischen Abgriff des kapazitiven Spannungsteilers und Emitter des Schwingtransistors ein ohmscher Widerstand angeordnet ist und bei dem die Basis des genannten Schwingtransistors mit einem variablen Spannungsteiler aus einem Transistor und ohmschen Widerständen verbunden und der Transistor des Spannungsteilers abhängig von der Oszillatorausgangs- is spannung gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum ohmschen Widerstand (R 1), der zwischen Abgriff des kapazitiven Spannungsteilers (Ci, C2) und Emitter des Schwingtransistors (T\) liegt, eine Pin-Diode (D2) -'o angeordnet ^:.st

2. Quarzstabilisierter Transistoroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgleichspannung für den Transistor (T2) des Spannungsteilers über einen zweistufigen gleichstromgekoppelten Trennverstärker (T3, TA), der zugleich die Oszillatorwechselspannung verstärkt, erzeugt ist

3. Quarzstabilisierter Transistoroszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangskreis des Trenn- *'» Verstärkers (T3, TA) ein abgestimmter Übertrager (Ü)mh kapa?itiver Unterteilung (C7, CS) liegt

4. Quarzstabilisierter Transistoroszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im cmittergleichstromkreis des ^!5 Schwingtransistors (Ti) ».ine Diodenkette (D3... D6) zur Erzeugung der Vorspannung des nachgeschalteten Trennverstärkers (TZ, T4) liegt.