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Oszillatorschaltkreis
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7 Seiten Beschreibung 5 Patentansprüche
Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf einen Oszillatorschaltkreis mit einem piezoelektrischen
Element, das mit einem Verstärker parallelgeschaltet ist, der mindestens einen Eingangsanschluß,
einen Ausgangsanschluß und zwei mit den beiden Polen einer elektrischen Energiequelle
verbundene Speiseanschlüsse, mindestens einen mit einer Steuerelektrode und einer
Ausgangselektrode versehenen Transistor und Polarisationsmittel zum Festlegen des
Wertes der Gleichstromkomponente des Potentials der Elektroden aufweist.
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Ein solcher an sich bekannter Oszillator, der gewöhnlich zur Lieferung
eines periodischen elektrischen Signals mit bestimmter Frequenz verwendet wird,
ist in Fig. 1 der Zeichnung schematisch dargestellt.
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In diesem Beispiel besteht der Oszillator aus einem Verstärker A und
einem piezoelektrischen Element Q, die parallel geschaltet sind.
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Der Verstärker A hat einen Eingangsanschluß E, einen Ausgangsanschluß
S und zwei Speiseanschlüsse B- und B+. Weiterhin umfaßt er einen MOS-Transistor
T, dessen Quelle an den ersten Speiseanschluß B- des Schaltkreises angeschlossen
ist. Der Abfluß D dieses Transistors wird als Ausgangselektrode verwendet, und diese
ist mit dem Ausgangsanschluß S des Verstärkers verbunden. Die Steuerelektrode G
dieses Transistors ist mit dem Eingangsanschluß E verbunden. Eine Stromquelle I
ist zwischen dem
zweiten Speiseanschluß B+ und dem Abfluß D des
Transistors angeschlossen. Im vorliegenden Beispiel wird sie auf nicht beschriebene
Weise von einem Detektorschaltkreis C für den Impulsgipfel gesteuert, dessen Eingang
an den Ausgangsanschluß .5 angeschlossen ist, der auch festgelegt sein kann.
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Ein zwischen der Steuerelektrode G und der Ausgangselektrode D angeschlossener
Polarisationswiderstand R legt den Wert der Gleichstromkomponente des Potentials
dieser beiden Elektroden fest und gewährleistet auf diese Weise das Anlaufen der
Oszillationen und den fehlerfreien Betrieb des Schaltkreises.
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Zwischen den Anschlüssen des Eingangs E bzw. Ausgangs S und dem Speiseanschluß
B- angeschlossene Kondensatoren C1 und C2 gewährleisten in Verbindung mit dem piezoelektrischen
Element Q die Phasenverschiebung der Spannungen und der erforderlichen Ströme zur
Erhaltung der Oszillation auf der gewünschten Frequenz.
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In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform dieser Art von
Oszillatoren wird die Stromquelle I durch einen Transistor ersetzt, dessen Quelle
mit dem Speiseanschluß B+ und dessen Abfluß und Steuerelektrode mit dem Abfluß und
mit der Steuerelektrode des Transistors T verbunden ist. Der Detektor C für den
Impulsgipfel wird dann weggelassen.
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Da der Betrieb derartiger Oszillatoren bekannt ist, wird er hier nicht
im einzelnen beschrieben. Es ist jedoch festzustellen, daß der Wert der Gleichstromkomponente
des Potentials der Steuer- und Ausgangselektroden eine erstrangige Rolle für den
genauen Betrieb des Schaltkreises spielt. Eine selbst nur geringe Abänderung dieser
Gleichstromkomponente kann zum Stillstand der Oszillationen und vor allem zu Schwierigkeiten
beim Anlaufen des Oszillators führen.
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Sämtliche in diesem Schaltkreis vorhandenen Impedanzen sind recht
hoch (der Widerstand R kann beispielsweise einen Wert zwischen 10 und 1000 Mega-Ohm
haben). Daher kann der Wert dieser Gleichstromkomponente sehr leicht durch das Vorhandensein
möglicher Ableitwiderstände verändert werden, die in Fig. 1 mit F1, F2, F3 und F4
bezeichnet sind. Diese Widerstände, die jedoch nicht immer sämtlich vorhanden sind,
können durch die Feuchtigkeit, die Verschmutzung an den Anschlüssen des Schaltkreises
oder durch die Alterung der Isolierung oder auch durch ein zusammenfallen dieser
Ursachen hervorgerufen werden.
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Die Erfahrung zeigt, daß Ableitwiderstände, deren Wert nur 20 Mega-Ohm
beträgt, schon für den guten Betrieb des Oszillators schädlich sein können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Oszillator der eingangs
erwähnten Art zu schaffen, in dem der Einfluß der Ableitwiderstände völlig vernachlässigbar
ist, selbst wenn ihr Wert relativ niedrig ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß
der Verstärker eine Abkupplungseinrichtung aufweist, um eine Veränderung der Gleichstromkomponente
des Potentials der Steuer- und Ausgangselektroden unter dem Einfluß von Ableitwiderständen
zu verhindern, die zwischen den Eingangs-und Ausgangsanschlüssen und den Speiseanschlüssen
des Verstärkers auftreten können.
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In bevorzugten Ausfllhrungsformen des Oszillatorschaltkreises entsprechend
der Erfindung besteht die Abkupplungseinrichtung aus einem zwischen dem Eingangsanschluß
und der Steuerelektrode oder zwischen dem Ausgangsanschluß und der Ausgangselektrode
in Serie geschalteten Kondensator oder auch aus zwei jeweils wie angegeben geschalteten
Kondensatoren.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung betrifft weiterhin ein Verfahren
zur Herstellung dieser bevorzugten Ausführungsformen des Oszillatorschaltkreises.
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Hinsichtlich dieses Verfahrens wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
daß der Verstärker durch einen Integrationsvorgang aller seiner Komponenten auf
demselben Substrat erhalten wird, wobei der oder die Abkupplungskondensatoren durch
den gleichen Vorgang und auf dem gleichen Substrat erhalten werden.
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In Fig. 2 der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform
des Oszillators dargestellt.
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Der in Fig. 2 dargestellte Oszillator hat die gleichen Teile wie der
in Fig. 1 dargestellte, die mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Sein
Verstärker hat darüber hinaus
zwei Kondensatoren C3 und C4, von
denen der eine zwischen dem Eingangsanschluß E und der Steuerelektrode G und der
andere zwischen der Ausgangselektrode D und dem Ausgangsanschluß S in Serie geschaltet
sind. Das Vorhandensein dieser Kondensatoren macht das Potential der Steuerelektrode
G und der Ausgangselektrode D ständig völlig unabhängig von dem Potential des Eingangsanschlusses
E und des Ausgangsanschlusses S des Verstärkers.
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Man sieht also, daß selbst dann, wenn Ableitwiderstände zwischen diesem
Eingangs- und Ausgangsanschlüssen und dem einen oder anderen der Speiseanschlüsse
vorhanden sind, der Betrieb des Oszillators überhaupt nicht gestört wird.
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Diese Kondensatoren stellen offensichtlich eine Impedanz in Wechselstrom
dar; diese ist jedoch ausreichend schwach für Frequenzen von einigen Kilohertz,
um den Betrieb des Oszillators nicht zu beeinträchtigen. Beispielsweise hat ein
Kondensator von 5 pF bei 32 kHz nur eine Impedanz von 1 Mega-Ohm, was in bezug auf
die Impedanz beispielsweise des Widerstandes R oder die der Steuerelektrode G des
Transistors vernachlässigbar ist.
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Laborversuche haben gezeigt, daß der Betrieb eines mit diesen Abkupplungskondensatoren
versehenen Oszillators noch mit Ableitwiderständen von nur 1 Mega-Ohm zufriedenstellend
arbeitet.
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Die vorstehende Beschreibung ist natürlich in keiner Weise beschränkend;
die Erfindung kann auch mit weiteren Abänderungen ausgeführt werden, ohne daß der
Rahmen der Erfindung verlassen wird.
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Insbesondere ist es nicht immer erforderlich, die beiden Kondensatoren
C3 und C4 gleichzeitig zu verwenden. Beispielsweise können entsprechend der mechanischen
Konstruktion des Gehäuses oder der Oszillatoranschlüsse die Gefahren des Auftretens
von Ableitwiderständen unterschiedlich sein, und man kann möglicherweise nur den
einen oder den anderen Kondensator vorsehen.
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Ebenso können diese Abkupplungskondensatoren mit Gewinn in Oszillatoren
verwendet werden, die entsprechend anderen Schaltbildern ausgeführt werden oder
die bipolare Transistoren anstelle des MOS-Transistors im oben beschriebenen Beispiel
verwenden.
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Außerdem muß festgestellt werden, daß, wenn der Oszillator, wie dies
gegenwärtig häufig der Fall ist, durch Diffusions-oder Maskierungstechniken hergestellt
werden soll, damit er in Form eines integrierten Schaltkreises erhalten wird, möglicherweise
auch mit anderen Elementen, mit denen er verbunden werden könnte, das Vorhandensein
der Kondensatoren C3 und C4 zur Abkupplung nicht hinderlich ist; ihr Wert ist tatsächlich
ausreichend schwach, so daß sie durch Verwendung der gleichen Techniken und auf
dem gleichen Substrat realisiert werden können wie die anderen Schaltkreiselemente.
Mit anderen Worten, der Verstärker wird durch einen Integrationsvorgang aller seiner
Komponenten auf dem gleichen Substrat erhalten, und auch die Abkupplungskondensatoren
werden durch das gleiche Verfahren und auf dem gleichen Substrat erhalten.
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Patentansprüche:
L e e r s e i t e