DE2739057C2

DE2739057C2 - Rauscharmer Transistoroszillator hoher Frequenz

Info

Publication number: DE2739057C2
Application number: DE19772739057
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Ing.(grad.) 8028 Taufkirchen Förster
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-08-30
Filing date: 1977-08-30
Publication date: 1985-06-20
Also published as: DE2739057A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen rauscharmen Transistoroszillator hoher Frequenz mit einem Schwingtransistor, bei dem im Verbindungsweg zwischen Emitteranschluß und Bezugspotential ein Widerstand angeordnet ist.
Bei solchen Transistoroszillatoren kann der Schwingtransistor in wenigstens zwei Grundschaltungen eingesetzt werden.

Bei der einen Grundschaltung ist zwischen seinem Kollektoranschluß und Bezugspotential ein kapazitiv überbrückter Widerstandsspannungsteiler vorgesehen, mit dessen Abgriff der Basisanschluß in Verbindung steht. Ferner sind zwischen dem Basisanschluß und Bezugspotential der piezoelektrische Kristall und ein kapazitiver Spannungsteiler, dessen Abgriff mit dem Emitteranschluß verbunden ist, vorgesehen.

Bei der anderen Grundschaltung des Schwingtransistors steht der Kollektoranschluß mit der Betriebsgleichspannung über eine HF-Drossel und mit Bezugspotential über einen kapazitiven Spannungsteiler in Verbindung. Dem kapazitiven Spannungsteiler, dessen Abgriff mit dem Emitteranschluß verbunden ist, ist der piezoelektrische Kristall parallel geschaltet. Außerdem ist der Basisanschluß an den Abgriff eines zwischen der Betriebsgleichspannung und dem Bezugspotential angeordneten kapazitiv überbrückten Spannungsteiler angeschaltet, dessen Abgriff über einen Blockkondensator gegen Bezugspotential liegt.

Oszillatoren dieser Art sind beispielsweise durch die Literaturstellen R, F. Shea »Transistortechnik«, Berliner Union-Stuttgart, 1960, Seiten 222 bis 226 und Zeitschrift »Frequenz« 24 (1970) 12, Seiten 357 bis 363 bekannt. Ihr Einsatz in modernen Systemen der Nachrichtenübertragungstechnik stellt im allgemeinen hohe Anforderungen an ihre Frequenzstabilität und zwar sowohl an die Langzeitstabilität als auch an die Kurzzeitstabilität.

Die Kurzzeitstabilität wird am besten durch das Einseitenband-Phasenrauschen charakterisiert, weil das Frequenzspektrum des Ausgangssignals im allgemeinen von wesentlich größerem Interesse ist als Frequenzwerte, die über ein bestimmtes Zeitintervall gemittelt sind. Hohe Langzeitstabilität erfordert einen relativ geringen Schwingquarzstrom, d. h. das Nutzsignai wird relativ klein, so daß das Rauschen der Schwingstufe selbst und der nachgeschalteten Trennstufe stärker eingeht. Kurzzeitstabilität verlangt dagegen ein relativ großes Nutzsignal, was praktisch auf einen relativ hohen Schwingquarzstrom hinausläuft.

Bei der Bemessung eines Quarzoszillators muß also ein Kompromiß zwischen Langzeit- und Kurzzeitstabilität geschlossen werden.

Durch die DE-OS 24 39 531 ist bereits ein rauscharmer HF-Signalgenerator bekannt, der wahlweise auf einen von mehreren Frequenzbereichen umschaltbar ist. Abgesehen davon, daß diese bekannte Oszillatorschaltung; einen Saugkreis für die Unterdrückung der dritten Oberwelle aufweist, sind hier spezielle Maßnahmen getroffen, um das niederfrequente Rauschen des Oszillators herabzusetzen. Diese Maßnahmen bestehen in einem Niederfrequenzrückkopplungskreis. Ein solcher weiterer Rückkopplungskreis stellt eine zusätzliche Gefahr füir eine unerwünschte Selbsterregung der Oszillatorschwingung bei hohen Frequenzen dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Transistoroszillator der einleitend beschriebenen Art eine weitere Lösung anzugeben, die auf einen niederfrequenten Rückkopplungskreis verzichtet isnd sich bei gegebenem Schwingkreisstrom durch minimales Einseitenband-Phasenrauschen auszeichnet, also bei gegebener Langzeitstabilität die Kurzzeitstabilität optimiert.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung für die beiden eingangs erwähnten Grundschaltungen des Schwingtransistors gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung für die eine Grundschaltung besteht darin, daß parallel zum piezoelektrischen Kristall und zum kapazitiven Spannungsteiler ein tonfrequenter Kurzschluß in Form einer Reihenschaltung einer HF-Drcssel mit einem Blockkondensator vorgesehen ist und daß der Widerstand im Verbindungsweg 2wischen Emitteranschluß und Bezugspotential durch einen hierzu parallel liegenden Kondensator bereits im Tonfrequenzbereich überbrückt ist.

Zweckmäßig ist es in diesem Zusammenhang, daß der Abgriff des Widerstandsspannungsteilers an den gemeinsamen Verbindungspunkt der Reihenschaltung aus der HF-Drossel mit dem Blockkondensator angeschaltet ist

Die erfindungsgemäße Lösung für die andere Grundschaltung besteht darin, daß der Blockkondensator einen für einen tonfrequenten Kurzschluß ausreichend großen Wert hat und daß der Widerstand im Verbindungsweg zwischen Emitteranschluß und Bezugspotential durch einen hierzu parallel liegenden Kondensator bereits im Tonfrequenzbereich überbrückt ist.

Zweckmäßig bildet bei dieser anderen Grundschaltung der Emitteranschluß des Schwingtransistors gegen Bezugspotential den Oszillatorausgang. Hierzu ist der Emitteranschluß über die Reihenschaltung einer HF-Drossei mit der Parallelschaltung aus dem Widerstand und dem Kondensator mit Bezugspotential verbunden.

Anhand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten

F i g. 1 das Schaltbild eines Transistor-Quarzoszillators bekannter Bauart, Fig. 2 bis 5 verschiedene Ersatzschaltbilder der Schaltung nach Fig. 1,

F i g. 6 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen rauscharmen Transistor-Quarzoszillator nach der Erfindung, Fig. 7 eine Variante der Schaltung nach Fig. 6,

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen rauscharmen Transistor-Quarzoszillator nach der Erfindung.

Die bekannte Oszillatorschaltung nach F i g. 1 stellt eine Obertonschwingstufe in der sehr temperaturstabilen Dreipunktschaltung und zwar in einer Quasi-Kollektorschaltung dar. Der Kollektoranschluß des Schwingtransistors Tr ist unmittelbar mit der positiven Betriebsgleichspannung Ub verbunden, der gegen Bezugspotential der Spannungsteiler aus den Widerständen Rl und /Q parallel liegt. Frequenzmäßig ist der Spannungsteiler durch den Kondensator CO überbrückt. An den Abgriff des Spannungsteilers ist der Basisanschluß des Schwingtransistors Tr angeschaltet, dessen Emitteranschluß über die Reihenschaltung aus der Induktivität 12 mit der Parallelschaltung aus dem Widerstand R3 und dem Kondensator Cl liegt. Der Emitteranschluß gegen Bezugspotential stellt den Ausgang α des Oszillators dar. Zwischen Basisanschluß und Bezugspotential ist ferner der Schwingquarz .Af und der kapazitive Spannungsteiler aus den Kondensatoren CIl und C12 angeschaltet. Der Abgriff des kapazitiven Spannungsteilers ist mit dem Emitteranschluß verbunden.

Zur Analyse der Rauschquellen bei einem Transistoroszillator nach Fig. 1 ist in Fig. 2 zunächst das hochfrequente Ersatzschaltbild des Oszillators angegeben, bei dem die Widerstände Al und KL des Spannungsteilers in Parallelschaltung als Widerstand Rb wirksam sind und die Induktivität L? unmittelbar gegen Bezugspotential geschaltet ist. Analog zu F i g. 2 zeigt F i g. 3 das niederfrequente Ersatzschaltbild des Transistoroszillators nach Fig. 1, das lediglich den Transistor mit dem Widerstand R_B im Eingangskreis aufweist.

Für die Analyse der Rauschquellen, die die Schwingstoffe phasenmodulieren, interessiert im folgenden nur das niederfrequente Ersatzschaltbild nach F13. 3. Weit unterhalb der beispielsweise im MHz-Gebiet liegenden Resonanzfrequenz des aus dem Schwingquarz K und dem kapazitiven Spannungsteiler gebildeten Parallelresonanzkreises werden die von den Widerständen und dem Transistor erzeugten niederfrequenten Rauschspannungen kaum noch durch die Kondensatoren Cl 1 und C12 verringert, so daß diese in erster Näherung vernachlässigt werden können, wie das auch im Ersatzschaltbild nach F i g. 3 zum Ausdruck kommt.

Aus F i g. 3 ist das Rausch-Ersatzschaltbild liach F i g. 4 abgeleitet. In diesem ist die dem rauschfreien Widerstand A₈ zugeordnete Leerlauf-Rauschspannangsquelle mit E_B bezeichnet. Das Transistor-Rauschmodell besteht aus dem rauschfrei gedachten Transistor mit einer Rauschspannungsquelle E_n in Reihe zur Basis und einer Rauschstromquelle /„ zwischen Basis und Emitter. Der im Rausch-Ersatzschaltbild nach F i g. 4 angegebene Widerstand γβε ist der differentielle Eingangswiderstand des Transistors.

Das der F i g. 4 äquivalente Rauschersatzschaitbild nach F i g. 5 ermöglicht die Untersuchung darüber, welche der Rauschquellen in der Schaltung nach Fig. 1 dominiert. Das äquivalente Rausch-Ersatzschaltbild nach Fig. 5 weist anstelle der Rauschspannungsquelle E„ und der Rauscheinströmung /„ die äquivalente Rauschspannungsquelle £rauf.

Bei der Überlagerung nicht korrelierter Rauschspannungen ist der quadratische Mittelwert zu bilden. Die von den Transistor-Rauschquellen am Widerstand γβε erzeugte Rauschspannung Ut ergibt sich dabei zu

_{UT En} (] _In (D

I Rb + γβε/ \RB + r_BEJ

Die von der Rauschspannung Eb des Widerstandes Rb am differentiellen Eingangswiderstand des Transistors γβε erzeugte Rauschspannung Ub ist analog

Aus dsm Leistungsverhältnis

Werden in Gleichung (3) die Werte fur U₇ ² und U_B ² nach den Gleichungen (1) und (2) eingesetzt, so ergibt sich für die am Eingang des Transistors wirksame äquivalente Leerlauf-Rauschspannung

Et² =

Γβ + γβε Γβε

und nach Umformung ■p-J = κ * +

E_n ²

Rb²

γβε

Rb +

γβε · Rb
Rb + Γβε

Bei Emitterströmen um 1 m A und einer Meßfrequenz um 10 kHz liegen die Rauschwerte üblicher Siliziumtransistoren bei

E_n « 2 nV/VHz und I_n « 2 pA/VHz

Für den extern angeschalteten Widerstand R_B kann in erster Näherung das thermische Rauschen mit

Eb² = 4 kTRß/Hz (7)

angesetzt werden, was z. B. bei Verwendung von Metallschichtwiderständen als gute Näherung zu betrachten

^ist·
Die resultierende, auf den Transistor-Eingang wirkende Gesamt-Leerlauf-Rauschspannung beträgt demnach

= t/4 kTR_B + E_n ² +

R„²

Eine numerische Auswertung der Gleichung (8) zeigt, daß bei kleinen Werten von R_B praktisch allein die Rauschspannung E_n wirksam ist. Bei großen Werten von R_B wird dagegen die Gesamt-Leerlauf-Rauschspannung £c«durch das Produkt I_n- R_B bestimmt. Der Widerstand R_B kann nicht beliebig verkleinert werden, weil er hochfrequenzmäßig parallel zum Schwingkreis aus dem Schwingquarz Kund dem kapazitiven Spannungsteiler liegt und diesen nicht beliebig stark bedampfen darf.

In der Oszillatorschaltung nach Fig. 6 wird durch hochfrequenzmäßige Entkopplung des Widerstandsspannungsteilers aus den Widerständen Al und KL vom Schwingkreis gemäß der Erfindung die Möglichkeit gegeben, den Widerstand R_B tonfrequenzmäßig zu überbrücken, ohne hierdurch zugleich den Schwingkreis hochfrequenzrnäßig zu beiasten. Die Maßnahmen sehen vor, den Basisanschiuß des Schwing'iransisiörs Tr über die Hochfrequenzdrossel Il mit dem Abgriff des Spannungsteilers zu verbinden und dem Widerstand R2 den Blockkondensator Cl parallel zu schalten. Gleichzeitig muß dafür gesorgt werden, daß auch der Kondensator Cl im Emitterzweig den Widerstand A3 im tonfrequenten Bereich überbrückt Mit anderen Worten wird durch einen tonfrequenten Kurzschluß der Basis-Emitterstrecke des Schwingtransistors Tr erreicht, daß der Widerstand R₃ und damit die Leerlauf-Rauschspannungsquelle E_B, sowie der Anteil /„ · R_B, in den Rauschersatzschaltbildern nach den Fig. 4 und 5 verschwinden und damit nur noch die relativ geringe Rauschspannung En des Transistors die Schwingstufe phasenmodulieren kann.

Die in F i g. 7 gezeigte Variante der Schaltung nach F i g. 6 weist parallel zum Schwingkreis und parallel zum Widerstand Rl des Widerstandsspannungsteilers die Reihenschaltung aus der Hochfrequenzdrossel LX und dem Blockkondensator Cl auf. Auf diese Weise wird in gleicher Weise wie bei der Schaltung nach Fi g. 6 die hochfrequenzmäßige Entkopplung des Schwingkreises vom Widerstandsspannungsteiler herbeigeführt und der tonfrequente Kurzschluß der Emitter-Basisstrecke des Schwingtransistors ermöglicht.

Bei der in F i g. 8 dargestellten an sich bekannten Transistor-Oszillatorschaltung ist der Schwingtransistor 7>in einer Quasi-Basisschaltung betrieben. Der Kollektoranschluß ist hier über die Induktivität 13 mit der positiven Betriebsgleichspannung Ub verbunden. Der Widerstand Ä2 des Widerstandsspannungsteilers und damit der Basisanschluß des Schwingtransistors liegt hochfrequenzmäßig über dem Kondensator Cl auf Bezugspotential. Der Parallelschwingkreis aus dem Schwingquarz K und dem kapazitiven Spannungsteiler mit den Kondensatoren CIl und C12 ist nunmehr vom Kollektoranschluß gegen Bezugspotential geschaltet. Am Oszillatorausgang α hat sich dabei nichts geändert. Bei dieser bekannten Schaltung bedarf es für den tonfrequenten Kurzschluß der

Basis-Emitterstrecke des Schwingtransistors keiner zusätzlichen Reaktanzen. Es ist hier lediglich erforderlich,
den Kondensator Ci und den im Emitterzweig dem Widerstand Λ3 parallel geschalteten Kondensator Cl in
ihrem Wert so groß zu bemessen, daß der gewünschte tonfrequente Kurzschluß realisiert wird.

Wie Bemessungen an Versuchsmustern von Transistor-Quarzoszillatoren bei 50 MHz ergeben haben, läßt
sich das Einseitenband-Phasenrauschen, bezogen auf den Trägerpegel durch Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen, auf - 160 dB/Hz bringen. Das sind nur noch 14 dB Abstand zum theoretisch minimal
möglichen Wert von -174 dB/Hz, der der Rauschleistung eines Widerstandes von 1 kT„/Hz entspricht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen ¹⁰

Claims

Patentansprüche:

1. Rauscharmer Transistoroszillator hoher Frequen? mit einem Schwingtransistor, bei dem im Verbindungsweg zwischen Emitteranschluß und Bezugspotential ein Widerstand angeordnet ist, bei dem ferntr

zwischen Kollektoranschluß und Bezugspotential ein kapazitiv überbrückter Widerstandsspannungsteiler vorgesehen ist, mit dessen Abgriff der Basisanschluß in Verbindung steht und bsi dem zwischen Basisanschluß und Bezugspotential der piezoelektrische Kristall und ein kapazitiver Spannungsteiler, dessen Abgriff mit dem Emitteranschluß verbunden ist, vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum piezoelektrischen Kristall (K) und zum kapazitiven Spannungsteiler (CIl, CL2) ein tonfrequenter Kurzschluß in Form einer Reihenschaltung einer HF-Drossel (Ll) mit einem Blockkondensator (Cl) vorgesehen ist und daß der Widerstand (A3) im Verbindungsweg zwischen Emitteranschluß und Bezugspotential durch einen hierzu parallel liegenden Kondensator (C2) bereits im Tonfrequenzbereich überbrückt ist

2. Rauscharmer Transistoroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff des Widerstandsspannungsteilers (Al, KL) an den gemeinsamen Verbindungspuakt der Reihenschaltung aus der HF-Drossel (Ll) mit dem Blockkondensator (Cl) angeschaltet ist.

3. Rauscharmer Transistoroszillator hoher Frequenz mit einem Schwingtransistor, bei dem im Verbindungsweg zwischen EmitteranscbJuß und Bezugspotential ein Widerstand angeordnet ist, bei dem ferner der Kollektoranschluß mit der Betriebsgleichspannung über eine HF-Drossel und mit Bezugspolential über einen kapazitiven Spannungsteiler in Verbindung steht, dem der piezoelektrische Kristall parallel geschaltet ist, und dessen Abgriff mit dem Emitteranschluß verbunden ist, bei dem außerdem der Basisanschluß an den Abgriffeines zwischen der Betriebsgleichspannung und dem Bezugspotential angeordneten kapazitiv überbrückten Spannungsteiler angeschaltet ist und bei dem der Abgriff über einen Blockkondensator gegen Bezugspotential liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Blockkondensator (Cl) einen für einen tonfrequenten Kurzschluß ausreichend großen Wert hat und daß der Widerstand (A3) im Verbindungsweg zwischen Emitteranschluß und Bezugspotential durch einen hierzu parallel liegenden Kondensator (C2) bereits im Tonfrequenzbereich überbrückt ist.

4. Rauscharmer Transistoroszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitteranschluß des Schwingtransistors gegen Bezugspotential den Oszillatorausgang (α) bildet und daß hierzu der Emitteranschluß über die Reihenschaltung einer HF-Drossel (L2) mit der Parallelschaltung aus dem Widerstand (/S) und dem Kondensator (Cl) mit Bezugspotential verbunden ist.