DE2801854C2

DE2801854C2 - Monolithisch integrierter, spannungsgesteuerter Kristalloszillator

Info

Publication number: DE2801854C2
Application number: DE2801854A
Authority: DE
Inventors: Michael John Chancy Genf Gay
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1977-01-24
Filing date: 1978-01-17
Publication date: 1985-01-24
Also published as: JPS6031282B2; DE2801854A1; FR2378400A1; GB1562371A; JPS5392651A; US4081766A; FR2378400B1

Description

Die Erfindung betrifft einen monolithisch integrierten, spannungsgesteuerten Kristalloszillator nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein solcher Kristalloszillator ist insbesondere in einem Fernsehsystem verwendbar.

Spannungsgesteuerte Kristalloszillatoren sind in Farbfernsehsystemen zur Regenerierung der Farbunterträgersignale in vielfältiger Weise vorgesehen. Vom Stand des Herstellers aus ist es dabei besonders wünschenswert, ein Farbfernsehsystem dieser Art weitgehend als integrierte Schaltung auszubilden. Es sind bereits Versuche unternommen worden, spannungsgesteuerte Kristalloszillatoren im wesentlichen als integrierte Schaltungen zu gestalten, was aber bisher noch nicht in befriedigendem Maß gelungen ist.

Ein monolithisch integrierter, spannungsgesteuerter b5 Kristalloszillator der eingangs genannten Art Ist aus der US-PS 39 73 221 bekannt. Bei diesem Kristalloszillator müssen aber noch verschiedene Bauteile außer dem Kristall selbst extern ausgeführt werden, wie beispielsweise ein Kondensator großer Kapazität, der eine Phasenverschiebung von 90° hervorruft. Weiterhin beschreibt die US-PS 36 91 475 einen spannungsgesteuerten Osziliator, bei dem unter Ausnutzung von Streukapazitäten zwei Phasenschieber verwendet werden, um eine besonders gute Frequenzeinstellung zu erreichen.

Auf diesem Stand der Technik aufbauend liefen der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen monolithisch integrierten, spannungsgesteuerten Kristalloszillator der eingangs bzw. im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher festgelegten Art zu schaffen, bei welchem die Frequenzveränderung durch einen Phasenschieber durchgeführt werden kann, welcher in die monolithisch integrierte Oszillatorschaltung eingeschlossen ist so daß für den Phasenschieber keine externen Bauelemente erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird bei einem monolithisch integrierten, spannungsgesteuerten Kristalloszillator nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst

Der erfindungsgemäße Kristalloszillator weist den wesentlichen Vorteil auf, daß die Notwendigkeit für jegliche externen Bauelemente eliminiert wird. Dieser Vorteil wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß dei Phasenschieber zwischen den beiden Transistor-Differenzverstärkern angeordnet ist und infolge des weiteren Phasenschiebers keine Phasenverschiebung mehr von 90° hervorgerufen werden muß.

Es sind also keine externen Kondensatoren erforderlich, die eine Phasenverschiebung von 90° hervorrufen; vielmehr können alle Kondensatoren hinreichend klein gehalten werden, so daß sie monolithisch integriert auf einem Plättchen untergebracht werden können. Weiterhin sind bei dem erfindungsgemäßen Kristalloszillator die Anzahl der erforderlichen Bauelemente und die Anzahl der notwendigen Anschlüsse vermindert. Für die Phasenverschiebung wird nicht auf Streukapazitäten zurückgegriffen, so daß auch bei eir.sr Massenfertigung die Einhaltung enger Fertigungstoleranzen möglich ist, was bei Ausnutzung von Streukapazitäten und parasitären Kapazitäten kaum gelingt.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 ein Schaltschema eines Ausführungsbeispiels und

F i g. 2 Vektordiagramme.

Gemäß Fig. 1 bilden Transistoren 11 und 12 einen ersten Differenzverstärker, wobei die Emitter der beiden Transistoren 11 und 12 miteinander verbunden sind und an einer Konstant-Stromquelie 22 liegen. Die Basis des Transistors 11 ist mit einem Kristall 13 über einen Kondensator 14 verbunden, der Gleichspannungssignale sperrt und eine Kapazität hat, welche der jeweils vom Kristallhersteller empfohlenen Lastkapazität für den Kristall 13 entspricht. Die Basen der Transistoren 11 und 12 sind über Widerstände 16 bzw. 17 mit einer Klemme 21 verbunden, welche dazu dient, eine Verbindung zu einer Vorspannungsquelle herzustellen, die das Vorspannungspotential für die Transistoren 11 und 12 liefert. Ein Widerstand 19 und ein Kondensator 18 bilden einen Phasenschieber, so daß jedes Ausgangssignal vom Transistor 11, welches einem zweiten Differenzverstärker zugeführt wird, einer Phasenverschiebung unterliegt.

Der zweite Differenzverstärker wird durch Transistoren 23 und 24 gebildet, deren Emitter gemeinsam mit

28 Ol

dem Widerstand 19 verbunden sind. Der Widerstand 19 ist mit dem Kondensator 18 und dem Kollektor des Transistors 11 verbunden und dient als Stromquelle für die Transistoren 23 und 24. Die Basis des Transistors 23 ist mit einer Klemme 26 verbunden, und die Basis des Transistors 24 ist mit einer Klemme 27 verbunden. Eine Steuerspannung, welche den Klemmen 26 und 27 zugeführt wird, kann die Schwingungsfrequenz der Oszillatorschaltung Steuern, wie dies nachfolgend näher erläutert wird. Widerstände 28 und 29 sind in Reihe geschaltet und verbinden den Kollektor des Transistors 24 mit einer Klemme 33, an welcher das Betriebspotential für die Oszillatorschaltung liegt Der Kollektor des Transistors 24 ist mit der Basis eines Transistors 32 und mit einem Kondensator 30 verbunden. Der Kondensator 30 wirkt mit den Widerständen 28 und 29 in der Weise zusammen, daß ein weiterer Phasenschieber gebildet wird. Der Kollektor des Transistors 32 ist mit der Klemme 33 verbunden, und sein Emitter ist mit dem Kristall 13 und mit der Klemme 36 über einen Widerstand 34 verbunden. Die Klemme 36 ist der zur Klemme 33 umgekehrte Anschluß für das BetriebspotentiaL Der Ausgang der Oszillatorschaltung liegt parallel zuei Widerstand 34 und ist mit den Basen der Transistoren 11 und 12 verbunden, weil ein dort abgegriffenes Ausgangssignal weniger Oberwellen enthält als ein Signal am Widerstand 34.

Die Vorspannungsquelle, welche mit der Klemme 21 verbunden ist, hat eine geringe Impedanz bei der Schwingungsfrequenz der Oszillatorschaltung, so daß auf deren Frequenzabstimmung eine vernachlässigbare Wirkung ausgeübt wird. Daher kann der Widerstandswert des Widerstands 16 unabhängig von der Impedanz der Vorspannungsquelle ausgewählt werden. Der Betriebsstrom für die Transistoren 11 und 12 wird durch die Stromquelle 22 geliefert, welche von beliebig geeigneter Form sein kann, solange sie integriert ausgebildet werden kann. Der Kollektor des Transistors 12 ist über den Phasenschieber aus den Widerständen 28 und 29 sowie dem Kondensator 30 mit der Basis des Transistors 32 verbunden. Der Emitter des Transistors 32 ist über den Kristall 13 und den Kondensator 14 mii der Basis des Transistors 11 verbunden. Die auf diese Weise gebildete Rückkopplungsschleife ermöglicht, daß sich ein Schwingungssignal aufbaut, wenn nicht beispielsweise die Schleifenverstärkung zu gering ist oder die gesamte Phasenverschiebung in der Schleife zu hoch ist. Die gesamte Phasenverschiebung und die Schleifenvtrstärkung können durch eine geeignete Auswahl der Schaltungsbetriebsbedingungen und der entsprechenden Parameter der Bauteile in gewünschter Weise beeinflußt werden. Der Kollektor des Transistors 1 ί ist durch den Phasenschieber aus dem Widerstand 19 und dem Kondensator 18 mit den Emittern der emittergekoppelten Transistoren 23 und 24 verbunden. Ein Teil des Stromes, weicher durch den Transistor 11 geliefert wird, geht über den Transistor 24 an den Phasenschieber aus den Widerständen 28 und 29 sowie dem Kondensator 30, in dem dieser Teil des Stromes zu dem von dem Transistor 12 gelieferten Strom addiert wird, Die Stromstärke des eo Stroms, welcher vom Transistor 11 durch den Transistor 24 fließt, wird durch die Steuerspannung bestimmt, welche an den Klemmen 26 und 27 liegt und welche festlegt, welcher der beiden Transistoren 23 oder 24 mehr Strom zieht.

Die Signalkomponenfen, welche in dem Kollektorstrom des Transistors 11 vorhanden sind, weisen gegenüber den Signalkomponenten in dem Kollektorstrom des Transistors 12 eine Phasenverschiebung von 180° auf. Weiterhin weisen die erstgenannten Signalkomponenten bezüglich der Signalkomponenten hinter dem Phasenschieber aus dem Widerstand 19 und dem Kondensator 18 eine Phasenverzögerung auf. Durch die Addition eines Teils des Stroms vom Transistor 11 zu dem Strom vom Transistor 12 wird die Phase desjenigen Signals verändert, welches an der Basis des Transistors 32 auftritt, so daß die Oszillatorfrequenz verändert wird, welche derart verschoben werden muß, daß bei der resultierenden Frequenz die Oszillatorschaltung die komplementäre Phasenverschiebung erzeugt, um die Phasenverschiebung insgesamt auf Null zu bringen. Durch Verändern der Steuerspannung, welche den Klemmen 26 und 27 zugeführt wird, kann die Frequenz der Oszillatorschaltung abhängig von Veränderungen in der Verstärker-Phasenverschiebung beeinfluBt werden, welche duch Veränderungen in der Stromstärke des Signals hervorgerufen wird, welches durch den Transistor 11 geliefert und zu demjenigen Signed dddiert wird, das durch den Transistor i2 geliefert und der Basis des Transistors 32 zugeführt wird.

Die Arbeitsweise der Oszillatorschaltung wird nachfolgend weiterhin anhand der Vektorbeziehungen der Komponenten der Signalspannung beschrieben, welche an der Basis des Transistors 32 auftritt In der F i g. 2(a) stellen die Ströme i'u und in, welche als Vektoren 41 bzw. 42 dargestellt sind, diejenigen Signalströme dar, weiche in den Kollektoren der Transistoren 11 bzw. 12 fließen, und zwar aufgrund der Spannungsrückkopplung durch den Kristall 13 zu der Basis des Transistors 11, wenn sich die Oszillatorschaltung in einem Schwingungszustand befindet. Die durch den Kristall 13 zurückgeführte Spannung ist als Vektor 40 dargestellt. Der Vektor 41 stellt den S:rom im Transistor 11 dar, und der Vektor 42 stellt den Strom im Transistor 12 dar. Die Vektoren 41 und 42 haben die gleiche Amplitude, weisen jedoch zueinander eine Phasenverschiebung von 180° auf. Der vom Transistor 11 abgegebene Strom ist hinter dem Widerstand 19 und dem Kondensator 18 gedampft und in der Phase um einen vorgegebenen Wert verschoben, wie dies durch einen Vektor 43 dargestellt ist. Der durch den Transistor 12 fließende Strom entwickelt eine Spannung V₎₂ an der Basis des Transistors 32, und zwar mit Hilfe der Widerstände 28 und 29 sowie des Kondensators 30, wie dies durch den Vektor

44 dargestellt ist. Diese Spannung 12 weist eine Phasenverschiebung in bezug auf den Strom in dem Transistor 12 infolge der Widerstände 28 und 29 sowie des Kondensators 30 auf. Derjenige Anteil des Stroms des Transistors 11, welcher durch den Transistor 24 hindurchgeht, entwickelt ebenfalb eine Spannung V₂* an der Basis dc'i Transistors 32, und zwar mit Hilfe des Netzwerkes, welches durch die Widerstände 28 und 29 sowie den Kondensator 30 gebildet ist. Diese Spannung V24. welche als Vektor 45 dargestellt ist, weist ebenfalls eine Phasenverzögerung in bezug auf den Strom auf, welcher durch den V/iderstand 19 fließt, und zwar um denselben Wert, wie die Spannung V12 in bezug auf den Strom im Transistor 12 verzögert ist.

Gemäß F i g. 2(b) sind die Spannungsvektoreri 44 und

45 addiert, um eine resultierende Spannung zu bilden, welche durch den Vektor 46 dargestellt ist, der an der Basis des Transistor- 32 auftritt. Ein Vektor 45, der die am Transistor 24 liegende Spannung darstellt, kann abhängig von der Steuerspannung verändert werden, welche zwischen den Basen der Transistoren 23 und 24 angelegt wird. Somit kann die Phase der Spannung an

28 Ol

system modifiziert werden.

Eine Änderung von 10% bei den Kondensatoren 18 und 30 bewirkt 2,5° Phasenverschiebung bei der PAL-Nennfrequenz. Dies entspricht nur 35 Hz in der Frequenz bei einem typischen Kristall. Durch dieses Beispiel wird die Möglichkeit veranschaulicht, daß die Kondensatoren 18 und 30 integriert mit einem Diffusionsverfahren hergestellt werden können.

Eines der Probleme, mil. welchem eine Oszillator-

der Basis des Transistors 32, welche durch den Vektor
46 dargestellt wird, in bezug auf die Phase der Kristallspannung verändert werden, welche durch den Vektor
40 dargestellt ist. Die resultierende Phasendifferenz
wird dadurch kompensiert, daß die Schwingungsfrequenz verändert wird, und zwar in der Weise, daß sie
sich von der Resonanzfrequenz der Oszillatorschaltung
entfernt, wobei die Amplitude und die Phase so gewählt
sind, daß der Kristall 13 in Verbindung mit dem Widerstand 16 als Phasenschieber arbeitet, welcher eine korn- io schaltung zu kämpfen hat, besteht darin, daß bei der plementäre Phasenverschiebung erzeugt. Die Schleifen- gewünschten Frequenz Oberschwingungen auftreten verstärkung und die Phasencharakteristik der Oszilla- können. Diesem Problem wird direkt dadurch entgegentorschaltung können auf gewünschte Werte eingestellt gewirkt, daß in der Oszillatorschaltung gemäß F i g. 1 werden, indem die Schaltungsparameter in entspre- nur Phasenverzögerungen bewirkt werden, welche eine chender Weise gewählt werden, und zwar insbesondere 15 zunehmende Dämpfung mit zunehmender Frequenz gedurch eine geeignete Wahl der Widerstände 19, 28 und währleisten. Weiterhin sind die Phasenschieber derart 29 sowie der Kondensatoren 18 und 30. Die Frequenzverschiebung, welche sich aus einer bestimmten Phasenverschiebung ergibt, kann in unabhängiger Weise durch
die Auswahl des Widerstandes 16 eingestellt werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Spannung V₂₄, welche durch den Vektor 45 dargestellt ist, um etwa 90° in bezug auf die Spannung verzögert, welche durch den Vektor 40 dargestellt ist. Dabei läßt sich zeigen, daß dann, wenn die Spannung Vj₄ verändert wird, um die Oszillatorfrequenz einzustellen, die Gesamtschleifenverstärkung der Oszillatorschaltung konstant bleibt. Wenn bei der bevorzugten Ausführungsform die

Steuerspannung an den Klemmen 26 und 27 Null Volt

ausgebildet, daß sie bei der eingestellten Frequenz eine beträchtliche Phasenverschiebung erzeugen, ohne die gewünschte Arbeitsweise der Oszillatorschaltung nachteilig zu beeinträchtigen. Der Phasenschieber aus den Widerständen 28 und 29 sowie dem Kondensator 30 liefert eine Phasenverzögerung von 35° bei der gewünschten Frequenz, und der Phasenschieber aus dem Widerstand 19 und dem Kondensator 18 liefert eine Phasen verzögerung von 55°. Somit ist es leicht zu gewährleisten, daß die Verstärkung bei der dritten Oberwelle, wek:he die niedrigste unerwünschte Frequenz darstellt, die auftreten kann, wenn der Kristall 13 in seinem Grundmodus verwendet wird, viel schwächer ist

beträgt (wobei die spannung V₂₄ dann die Hälfte ihres 30 als bei der gewünschten Frequenz. Da sich die Oszilla-Maximalwertes hat), ist die Spannung an der Basis des torschaltung so betreiben läßt, daß bei der gewünschten Transistors 32 in Phase mit der Spannung, welche durch Frequenz eine konstante Schleifenverstärkung vorhanden Vektor 40 dargestellt ist und welche der Kristall- den ist, wie es oben erläutert wurde, ist es einfach, die Ausgangsspannung entspricht. Die möglichen positiven Schleifenverstärkung bei der gewünschten Frequenz und negativen Phasenveränderungen sind dann gleich. 35 auf einen verhältnismäßig geringen Wert zu vermin-Durch eine geeignete Auswahl der Widerstände 19, 28 dem, so daß eine Aufrechterhaltung von Schwingungen

bei Oberwellen unmöglich wird, bei weichen die Schieifenverstärkung wesentlich geringer ist.

und α sowie der Kondensatoren 18 und 30 werden die oben beschriebenen Ergebnisse erreicht.

Eine integrierte Ausführungsform der Oszillatorschaltung kann mit den folgenden Werten für die einzelnen Bauteile zumindest näherungsweise realisiert werden:

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Widerstand 19
Widerstand 28,29
Widerstand 16,17
Widerstand 34
Kondensator 18
Kondensator 30
Kondensator 14

6,2 kOhm
l,6kOhm
7500hm
5kOhm
8 Picofarad
63 Picofarad
20 Picofarad

45

50

Die gesamte Oszillatorschaltung wird mit Ausnahme des Kristalls 13 monolithisch integriert ausgebildet Dadurch wird der weitere Vorteil erhalten, daß zumindest ein Anschlußkontakt weniger erforderlich ist, was die Herstellungskosten erheblich senkt. Obwohl aer Kondensator 14 an sich auf eine integrierte Schaltung aufdiffundiert sein kann, kann er auch extern ausgebildet werden, so daß die Oszillatorschaltung verbreiterte Anwendungsmöglichkeiten hat. Wenn der Kondensator 14 als ω externes Bauteil beibehalten wird, kann leicht ein geeigneter Wert ausgewählt werden, so daß die Oszillatorschaltung mit mehr als nur einem externen Kristall 13 kompatibel ist. Es ist zu bemerken, daß die oben als Beispiel angegebenen Werte für die Bauelemente sich auf eine Osziliatorschaltung beziehen, die in einem PAL-Fernsehsystem arbeitet; diese Bauteile können aber leicht zur Verwendung mit einem NTSC-Fernseh-

Claims

28 Ol

Patentanspruch:

Monolithisch integrierter, spannungsgesteuerter Kristalloszillator mit einem externen Kristall, zu dem ein erster Kondensator in Reihe geschaltet ist, mit einem ersten Transistor-Differenzverstärker, an dessen zu einer gemeinsamen Klemme verbundenen Emittern eine Konstant-Stromquelle angeschlossen ist und dessen Eingänge mit dem ersten Kondensator und jeweils über einen ersten bzw. zweiten Widerstand mit einer Vorspannungsklemme verbunden sind, mit einem zweiten Transistor-Differenzverstärker, dessen Eingänge an eine Steuerspannungsquelle angeschlossen sind, dessen einer Ausgang direkt und dessen anderer Ausgang über eine Widerstands-Summierschaltung an eine Betriebspotentialquelle angeschlossen sind und dessen zu einer gemeinsamen Klemme verbundene Emitter an den einen Ausgang des ersten Transistor-Differenzverstärkers angeschlossen sind, mit einem an den einen Ausgang des ersten Transistor-Differenzverstärkers angeschlossenen Phasenschieber und mit einem als Emitterfolger angeordneten Transistor, dessen Kollektor mit der Betriebspotentialquelle, dessen Emitter mit dem externen Kristall und deinen Basis mit dem anderen Ausgang des zweiten Transistor-Differenzverstärkers verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (18, 19) zwischen den zu einer gemeinsamen Klemme verbündenen Emittern des zweiten Transistor-Differenzverstärkers (23, 24) und tem ein- ,1 Ausgang des ersten Transistor-Differenzventärkers (11,12) angeordnet ist, daß die Widerstands-Sumri erschaltung zwei in Reihe geschaltete Widerstände (28,29) aufweist, daß der andere Ausgang des ersten Transistor-Differenzverstärkers (11,12) mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen (28, 29) verbunden ist und daß ein zweiter Kondensator (30) zwischen der Basis des als Emitterfolger angeordneten Transistors (32) und einer auf Massepotential liegenden Klemme angeordnet ist, wobei der zweite Kondensator (30) und die zwei in Reihe geschalteten Widerstände (28, 29) einen weiteren Phasenschieber bilden.