DE2700070A1 - Anordnung zur temperaturstabilisierung einer abstimmbaren schaltung - Google Patents
Anordnung zur temperaturstabilisierung einer abstimmbaren schaltungInfo
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Description
D-8 Mönchen 71
Telefon: (069)7915050
Telegramm: monopolweber _ mOnchen
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MOTOROLA, INC.
1303 East Algonquin Road Schaumburg, 111. 60196, USA
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Anordnung zur Temperaturstabilisierung einer abstimmbaren
Schaltung
Die Erfindung betrifft allgemein temperaturkompensierte abstimmbare
Schaltungen und bezieht sich insbesondere auf die Temperaturkompensation solcher abstimmbarer Schaltungen, welche
eine parabolische Frequenz-Temperatur-Charakteristik aufweisen.
Es sind grundsätzlich verschiedene Kompensationsverfahren zum Stabilisieren der Temperaturdrift von abstimmbaren Schaltungen
bekannt, insbesondere von Oszillatoren. Eine üblicherweise verwendete Art von Oszillatoren verwendet abgestimmte Elemente,
die eine parabolische, thermisch bedingte Frequenzdriftcharakteristik
aufweisen. Eine durch akustische Oberflächenwellen steuerbare Einrichtung ebenso wie zahlreiche Kristalle (z. B.
CT-, DT-, NT-, # 50X- und BT-Kristalle) zeigen alle diese
parabolische Charakteristik.
Es sind bereits Versuche unternommen worden, Oszillatorschaltungen
mit einer parabolischen Charakteristik mit einer entsprechenden Temperaturkompensation auszustatten, derartige
Versuche haben sich jedoch nicht als zufriedenstellend erwiesen.
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Die wohl am meisten verwendete Kompensationstechnik besteht darin, eine verhältnismäßig komplizierte Schaltanordnung zu
verwenden, durch welche in vorgegebener Weise verschiedene Steuerspannungen an Varaktordioden geführt werden, welche in
der Schaltung mit dem Oszillator verbunden sind, um dessen Frequenz zu steuern. Diese stückweisen Approximationen zur
Kompensation einer parabolischen Kennlinie gewährleisten nur eine verhältnismäßig unzulängliche Kompensation, und es läßt
sich auf diese Weise keine hohe Temperaturstabilität erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der
oben näher erläuterten Art zu schaffen, mit welcher die Temperaturdrifteigenschaften
von abstimmbaren Elementen mit besonders hoher Genauigkeit kompensiert werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren
niedergelegten Merkmale.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist vorgesehen, daß eine durch ein Steuersignal
veränderbare Reaktanzeinrichtung vorgesehen ist, welche zwei in Reihe geschaltete Varaktordioden aufweist, daß jede Diode
einen Wert von <S > 1 hat, wobei 6 ein Faktor ist, der die
Beziehung der Varaktorkapazität zu der angelegten Steuerspannung angibt, welche an die abstimmbare Schaltung angelegt ist,
um eine Reaktanzcharakteristik zu erzeugen, die in vorgebbarer Weise mit einem angelegten Steuersignal in Beziehung gesetzt
ist, und daß eine temperaturempfindliche Signalquelle vorhanden ist, welche mit der durch ein Steuersignal veränderbare
Reaktanzeinrichtung verbunden ist, um ein Steuersignal zu erzeugen, welches in vorgebbarer Weise derart von der abgetasteten
Temperatur abhängt, daß die Reaktanz der durch ein Steuersignal veränderbaren Reaktanzeinrichtung sich in vorgebbarer
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Weise in einer echt parabolischen Funktion der Temperatur
kontinuierlich ändert, wodurch eine Temperaturdrift der abstimmbaren Schaltung im wesentlichen dadurch kompensiert ist,
daß eine entsprechende, temperaturabhängige Veränderung in der durch das Signal veränderbare Reaktanzeinrichtung auftritt.
Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichbar, daß die thermisch bedingte Frequenzverschiebung der abstimmbaren
Schaltung praktisch vollständig kompensiert werden kann.
Bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung
näher beschrieben; in dieser zeigen:
Fig. 1 die parabolische Frequenz-Temperatur-Charakteristik bekannter Abstimmelemente,
Fig. 2 die erfindungsgemäße Temperaturkompensationseinrichtung,
Fig. 3 die parabolische Reaktanz-Charakteristik der bevorzugten
Ausführungsform gemäß der Erfindung, und
Fig. 4 ein vollständiges Schaltschema eines temperaturkompensierten,
durch eine akustische Oberflächenwelle gesteuerten Oszillators.
Die Fig. 1 veranschaulicht die parabolische Frequenz-Temperatur-Charakteristik
von zahlreichen, in ihrer Frequenz abstimmbaren Elementen. Insbesondere bezieht sich diese Kurve auf eine Einrichtung,
welche durch eine akustische Oberflächenwelle steuerbar ist und einen Eingangs- sowie einen Ausgangsübertrager aufweist,
die auf einer ST-Quarz-Unterläge angeordnet sind. Diese
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'G.
Einrichtung ist derart ausgebildet, daß ein unifrequentes Signal angelegt wird, wodurch zugleich eine maximale Übertragung
und eine Phasenverschiebung von O ° auftreten. Die temperaturabhängige Frequenzcharakteristik dieser Einrichtung
ist durch folgende Formel gegeben:
f - f0Ci - K1 (T- To) 2 ]
| mxt: f | ■ Frequenz |
| fo | ■ Frequenz an der Übergangstemperatur |
| T | ■ Temperatur |
| To | ■ Übergangstemperatur |
| K1 | - 3 χ 10"8/(°C)2. |
Der Frequenzübergangspunkt ist eine Funktion des kristallografischen
Winkels des Substrates, und er kann im Hinblick auf eine optimale Charakteristik über einen bestimmten Temperaturbereich
verschoben werden. Diese Temperaturcharakteristik ist für viele der Niederfrequenz-Quarz-Resonatoren typisch. Beispielsweise
zeigen alle CT-, DT-, NT- und BT-Quarzkristalle
diese parabolische Charakteristik.
Um einen Oszillator mit einer Temperaturkompensation auszustatten,
indem eine parabolische Charakteristik verwendet wird, ist es erforderlich, eine parabolische Kapazitäts-Temperatur-Charakteristik
zu erzeugen, bei welcher eine maximale Kapazität an der Übergangstemperatur der durch eine akustische Oberflächenwelle
gesteuerten Einrichtung vorhanden ist. Die sich ändernde kapazitive Reaktanz kann dann in einer entsprechenden Konfiguration
mit einem Oszillator gekoppelt werden, um eine entsprechende Abstimmung herbeizuführen, so daß dadurch eine Drift des Abstimmelementes
mit einer parabolischen Charakteristik kompensiert wird.
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Die Fig. 2 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform der Kompensationseinrichtung 10, welche dazu verwendet wird,
eine parabolische Kapazitäts-Temperatur-Charakteristik zu erzeugen. Die Einrichtung weist ein Paar von hypersteilen
Varaktordioden 12 und 14· auf, die in Reihe geschaltet sind, so daß ein gemeinsamer Punkt 16 und entsprechende Endpunkte 18
bzw. 20 gebildet sind.
Eine Steuerung der Varaktordioden 12 und 14 hinsichtlich ihrer Kapazität wird durch eine entsprechende temperaturempfindliche
Spannungsquelle 22 bewirkt. Die Spannungsquelle 22 weist einen Transistor 24 auf, sie hat weiterhin VorSpannungswiderstände
26 und 28, einen Emitterwiderstand 30 sowie einen Kollektorwiderstand
32. Der Kollektor des Transistors 24 ist mit dem gemeinsamen Punkt 16 zwischen den Dioden 12 und 14 über einen
Shunt-Kondensator 34 und einen Reihenwiderstand 36 verbunden,
welche eine HF-Isolierung gewährleisten. In ähnlicher Weise ist
die Spannungsquelle Vg mit einem Ende 18 der in Reihe geschalteten
Dioden 12 und 14 über HF-Isolationskomponenten verbunden,
zu denen ein Kondensator 38 und ein Widerstand 40 gehören.
Die Arbeitsweise der Kompensationseinrichtung läßt sich am besten anhand der Fig. 3 erläutern. Wenn die Temperatur zunimmt,
nimmt die Basis-Emitter-Spannung am Transistor 24 linear ab, und zwar etwa mit 2 Millivolt/°C für eine Siliziumeinrichtung.
Dieser Effekt wird durch das Verhältnis zwischen den Widerständen 32 und 30 verstärkt, so daß die Ausgangsspannung am Kollektor
des Transistors 24 eine lineare Spannungs-Temperatur-Charakteristik mit einer negativen Steigung aufweist, wie es
durch die Linie 40 in der Fig. 3 veranschaulicht ist.
Der Effekt der linearen angelegten Spannung, die an die Varaktordioden
angelegt wird, läßt sich folgendermaßen erklären: Die Arbeitsweise des Varaktors wird durch folgende Formel beschrieben:
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cv - co/(v +
mit: C ■ Varaktorkapazität
C ■ Varaktorkapazität bei der Vorspannung O
V « angelegte Steuerspannung Φ ■ Übergangskontaktpotential (typischerweise
0,7 Volt für Siliziumelemente) & ■ kapazitiver Exponent.
Um die gewünschte Kapazitäts-Temperatur-Charakteristik der Varaktoren zu erreichen, muß die Beziehung £
> 1 gelten. Für eine exakte Kompensation einer ST-Quarz-Einrichtung, die durch
eine akustische Oberflächenwelle gesteuert ist, haben die verwendeten Varaktoren einen Wert von 6 » 2. Hypersteile
Varaktordioden mit einer derartigen Charakteristik werden von der Firma Motorola, Inc. unter der Bestellnummer MV1404
geliefert.
Die entsprechende Reihenkapazität C™ der Dioden 12 und 14
als Funktion der angelegten Steuerspannung wird durch die folgende Gleichung gegeben:
O1 - °-5 Co
+ $)2 + AV2
mit: V. ■ 1/2 V (die gesamte Versorgungsspannung) und
ο ε
6 ■ 2 für Jeden Varaktor.
Wenn die Steuerspannung V gleich V ist, sind die Kapazitäten
der zwei Varaktoren gleich und es gilt die folgende Beziehung:
CT - V2.
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Venn sich die Steuerspannung in der einen oder in der anderen
Richtung ändert, nimmt die Kapazität CT symmetrisch ab, so daß
auf diese Weise die gewünschte parabolische Charakteristik hervorgerufen wird. Indem die obige Formel für C™ in die
Frequenzfunktion eingesetzt wird (d. h., die Abstimmfrequenz ist umgekehrt proportional zu der Gesamtkapazität CT der Dioden
12, 14), so ist die Frequenz-Spannungs-Beziehung des kompensierten Oszillators durch die folgende Beziehung gegeben:
foCi + k1 '(V- Vo)2]
Dieser Ausdruck ist in der grafischen Darstellung bei 42 in
der Fig. 3 veranschaulicht, und daraus ist ersichtlich, daß
die entsprechende Kennlinie des Spiegelbilds der in der Fig. 1 dargestellten ST-Quarz-Temperaturcharakteristik ist. Venn so
mit k1 ' und V entsprechend kontinuierlich eingestellt werden,
läßt sich eine echt parabolische Kompensation erreichen.
Sie Fig. 4 veranschaulicht einen bevorzugten Oszillatoraufbau, welcher die erfindungsgemäße Temperaturkompensationseinrichtung verwendet. Der Oszillator hat einen Verstärker 50, eine
durch eine akustische Oberflächenwelle gesteuerte Einrichtung 52, eine Impedanzanpaßeinrichtung, die aus den Spulen 54 und 56
sowie aus den Kondensatoren 58 und 60 zusammen mit einem Trimmkondensator 62 gebildet ist. Parallel zu dem Kondensator 58 ist
•in· Temperaturkoapensationsschaltung 10 angeordnet. Venn sich
die Temperatur ändert, wird in der durch die akustische Oberflächenwelle gesteuerten Einrichtung eine parabolische Frequenzverschiebung induziert, und es wird dadurch eine entsprechende
parabolische Veränderung in der Kapazität von der Temperaturkompensationseinrichtung 10 hervorgerufen, wodurch gewährleistet
wird, daß die GesaatabStimmung des Oszillators konstant bleibt.
Experimentell ermittelte Daten von einem entsprechenden Oszilla
tor, der durch eine akustische Oberflächenwelle gesteuert wird und bei 150 MH* arbeitet, lassen erkennen, daß durch diese Art
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der Kompensation eine Stabilität von - 4 χ 10 (- 4 ppm)
über einen Temperaturbereich von -40 0C bis +70 0C zu gewährleisten
ist. Ein entsprechender, nicht-kompensierter Oszillator hat eine Gesamtfrequenzdrift von 110 χ 10 (110 ppm)
über denselben Bereich.
- Patentansprüche 709828/0741
Claims (2)
1./ Anordnung zur Temperaturstabilisierung einer abstimmbaren Schaltung, welche eine parabolische Frequenz-Temperatur-Charakteristik
aufweist, wobei die Schaltung durch eine Reaktanz abstimmbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß eine durch ein Steuersignal veränderbare Reaktanzeinrichtung vorgesehen ist, welche zwei in Reihe geschaltete
Varaktordioden (12, 14) aufweist, daß jede Diode einen Wert von £
> 1 hat, wobei £ ein Faktor ist, der die Beziehung der Varaktorkapazität zu der angelegten Steuerspannung angibt,
welche an die abstimmbare Schaltung angelegt ist, um eine Reaktanzcharakteristik zu erzeugen, die in vorgebbarer
Weise mit einem angelegten Steuersignal in Beziehung gesetzt ist, und daß eine temperaturempfindliche Signalquelle (22)
vorhanden ist, welche mit der durch ein Steuersignal veränderbaren Reaktanzeinrichtung verbunden ist, um ein Steuersignal
zu erzeugen, welches in vorgebbarer Weise derart von der abgetasteten Temperatur abhängt, daß die Reaktanz der durch
ein Steuersignal veränderbaren Reaktanzeinrichtung sich in
vorgebbarer Weise in einer echt parabolischen Funktion der Temperatur kontinuierlich ändert, wodurch eine Temperaturdrift
der abstimmbaren Schaltung im wesentlichen dadurch kompensiert ist, daß eine entsprechende, temperaturabhängige
Veränderung in der durch das Signal veränderbarenReaktanzeinrichtung
auftritt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturempfindliehe Signalquelle eine Transistorstufe (24)
aufweist, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die sich linear mit der Temperatur ändert.
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3· Anordnung nach. Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die temperaturempfindliche Signalquelle eine Ausgangsspannung liefert, welche dem gemeinsamen Punkt zwischen den
in Reihe geschalteten Varaktordioden zugeführt wird.
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