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"Emittergekoppelter Oszillator
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Die Erfindung betrifft einen emittergekoppelten Oszillator mit zwei
kreuzgekoppelten ersten und zweiten Transistoren, deren Emitter von äe einer Stromquelle
gespeist und durch einen Kondensator oder einen Quarz gekoppelt sind und an deren
Kollektoren die Ausgangsspannung abgreifbar ist.
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Ein derartiger Oszillator ist z. B. bekannt aus den Buch von U. Tietze
und Ch. Schenk t'Halbleiter-Schaltungstechnik" Berlin, Heidelberg, New tork 1976,
Springer-Verlag, Seite 427. Die Stromquellen sind dort durch hochohmige Widerstände
ersetzt und im jeweiligen Kollektorkreis der Transistoren sind Lastwiderstände geschaltet.
Widerstände haben jedoch den Nachteil, daß sie sich nur unwirtschaftlich integieren
lassen, da sie, insbesondere wenn sie hochohmig sind, viel Halbleiterfläche beanspruchen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu
verbessern. Insbesondere soll ein Oszillator der eingangs genannten Art angegeben
werden, der sich unproblematisch und mit möglichst wenig Flächenbedarf auf einem
Halbleiter-Chip integrieren läßt.
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Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Damit ist es nunmehr möglich, die hochohmigen und daher viel Ohip-Fläche erfordernden
ohmschen Lastwiderstände in den Kollektorkreisen der Transistoren zu vermeiden und
sie in der gleichen Weise wie die kreuzgekoppelten Transistoren platzsparend auszubilden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben. Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch
2 ist besonders einfach und erfordert den geringsten Platzbedarf. Nur unwesentlich
mehr Chipfläche erfordert die Ausgestaltung der Erfindung nach Ansprucb 3. Sie hat
den Vorteil, daß die Strombelastung der Versorgungsspannung gleichmäßig erfolgt
und eine symmetrische Auskopplung der Oszillatorfrequenz möglich ist.
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Weitere Ersparnis an Halbleiter-Fläche wird dadurch erzielt, daß die
3tromquellen in den Emitterzuleitungen der kreuzgekoppelten Transistoren in 1 2L-Technik
realisiert und Kollektorausgänge eines Multikollektortransistors sind.
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Sollen die Oszillatoren für Frequenzen unter 100 kHz eingesetzt werden,
so müssen kapazitive Kopplungen an die anzusteuernden Schaltungen vermieden werden,
da diese Kondensatoren ebenfalls viel Halbleiter-Fläche bei der Integration
beanspruchen.
Die Ansprüche 6 bis 8 geben hierzu vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Oszillatoren, so daß an ihnen Schaltungen in I2Eechnik angeschlossen werden können,
was besonders bei Schaltungen mit niedrigen Betriebsspannungen, wie z. B. Uhrenschaltungen
von erhöhtem Interesse ist.
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Die Erfindung wird nun anhand von in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert * Es zeigen im einzelnen: FIG. 1 Oszillatorschaltung mit Kollektorwiderständen;
FIG. 2 Oszillatorschaltung mit Steuerdiode und Transistor in den Kollektorkreisen;
FIG. 3 Oszillatorschaltung mit zwei Transistoren in den Kollektorkreisen; FIG. 4
Multikollektortransistor als Stromquelle; FIG. 5 Schaltung m»:t bipolaren Transistoren
al¢s Stromquellen; FIG. 6 Auskoppelsc}laltung Sür einen Oszillator für unsymmetrischen
Anschluß; FIG. 7 Auskoppelschaltung für einen Oszillator für symmetrischen Anschluß.
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In FIG. 1 ist ein bekannter emittergekoppelter Oszillator mit zwei
kreuzgekoppelten ersten und zweiten Transistoren T1 und T2 dargestellt, deren Emitter
von je einer Stromquelle S1 und 52 gespeist und durch einen Quarz Q gekoppelt sind.
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In Schaltungen, die keine große Frequenzkonstanz erfordern, kann anstelle
des Quarzes Q auch ein Kondensator verwendet werden.
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In den Kollektorkreisen der Transistoren Tl und T2 ist jeweils ein
Widerstand R1 bzw. R2 geschaltet und an den Kollektoren ist die Ausgangsspannung
an den Anschlüssen A undj oder B abgreifbar. Die Widerstände R1 und R2 haben in
Schaltungen mit wenig Stromaufnahme Werte über 100 kfl . Derartige hochohmige Widerstände
sind wegen ihres großen Flächenbedarfs für eine monolithische Integration ungeeignet.
Wenig Fläche beanspruchende Pinch-Widerstände vertragen wegen des Abschnüreffekte
keine höheren Spannungen als etwa 0,7 V und scheiden daher bei universell einsetzbaren
integrierten Oszillatoren aus.
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Die Erfindung sieht daher vor, daß im Kollektorkreis mindestens eines
der beiden Transistoren Tl oder T2 ein von einer ersten Steuerdiode an seiner Basis
gesteuerter Transistor als Lastwiderstand geschaltet ist.
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Eine erste Ausgestaltung der Erfindung ist in FIG. 2 dargestellt.
Bei dieser Ausgestaltung ist die erste Steuerdiode D1 im Kollektorkreis des ersten
Transistors T1 als Lastwiderstand geschaltet. Von ihr wird der Transistor T4 an
seiner Basis gesteuert.
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Ist der Transistor T1 leitend gesteuert, so liegen die Emitterspannungen
der Transistoren Ti und T2 so hoch, daß der Transistor T1 im Sättigungsgebiet arbeitet
und durch die dann niedrige Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors T1 der Transistor
T2 gesperrt ist. Der Kollektorstrom des Transistors T1 verursacht an der Steuerdiode
D1 einen Spannungsabfall, der ausreicht, um im Kollektor des Transistors
T4
etwa den gleichen Strom wie im Kollektor des Translstors T1 fließen zu lassen. Da
der T:esLsister 22 aber gesperrt ist, befindet sich der Transistor T4 im Sättigungsgebiet
und steuert den Transistor T1 voll aus.
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Sinkt nun die Emitter-Spannung am gesperrten Transistor 2, so wird
der Transistor T2 leitend, wodurch der Transistor T1 gesperrt wird, so daß dann
lediglich der Basisstrom des Transistors T2 über die Steuerdiode D1 fließt.
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Der Spannungsab£all an der Steuerdiode D1 bewirkt im Eollektor des
Transistors T4 lediglich einen Strom in der Größenordnung des Basisstromes des Transistors
T2, so daß der Transistor 22 bis in das Sättigungsgebiet ausgesteuert wird .
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Sinkt jetzt die Emitterspannung des gesperrten Transistors.
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21, so wird der Transistor T1 wieder leitend und so fort.
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Die Schaltung ist folglich instabil und schwingt. :e Schwingfrequenz
dieses Oszillators kann am Kollektor des Transistors T2'im Ausführungsbeispiel am
Anschluß A'und/ oder am Kollektor des Transistors T1, im Ausführungsbeispiel am
Anschluß B, abgegriffen werden. Die Amplitude der Wechselspannung am Anschluß A
ist größer als die am Anschluß B.
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Die Schaltung hat den Vorteil, daß sie nicht nur einfach zu integrieren
ist, sondern auch bei niedrigen Betriebsspannungen z. B. Uo = 2 V mit sehr niedrigen
Strömen bei tiefen Frequenzen, z. B. etwa 20 µA f#30 kHz, arbeitet und für Frequenzen
bis etwa 4 Hz geeignet ist.
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In FIG. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem
sowohl am Anschluß A als auch am Anschluß B eine gleich große Wechselspannung auftritt.
Die Wechselspannungen sind, wie im Beispiel der FIG. 2, gegenphasig.
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In diesem Ausfuhrungsbeispiel ist im Kollektorkreis beider Transistoren
T1 und T2 jeweils ein von einer ersten Steuerdiode Dl an seiner Basis gesteuerter
Transistor T3 bzw.
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4 als Lastwiderstand geschaltet und die erste Steuerdiode D1 wird
von einer weiteren Stromquelle S3 gespeist.
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Da die Schaltung funktionell der Schaltung nach FIG. 1 gleicht, erübrigt
sich für dieses Ausführungsbeispiel eine nähere Erklärung seiner Arbeitsweise. Die
in den Figuren 2 und 3 symbolisch dargestellten Stromquellen 81 und S2 bzw. S1,
52 und 53 können in integrierter Form in I2, Technik oder als bipolare Transistoren
realisiert werden.
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FIG. 4 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für die Stromquellen
in I2L-Technik. Mittels eines PEP-Injzktortransistors 41 wird ein Injektorstrom
in die Basis des Multikollektortransistors 42 eingespeist, der infolge der Verbindung
eines seiner Kollektoren mit der Basis einen Kollektorstrom IC1 = IC2 = 103 = IC4RYIo
hervorruft, der also praktisch unabhängig ist von Stromverstärkungsfaktorstreuungen
der Transistoren des Multikollektortransistors 42.
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Die Kollektorausgänge E, F und G sind mit der in den Figuren 2 und
3 in gleicher Weise bezeichneten Punkten verbunden und die Stromquellen S1 und 52
bzw. S1, 82 und S3 sind durch den Multikollektortransistor 42 gebildet, wobei in
dem Ausführungsbeispiel der FIG. 2 der Multikollektortransistor lediglich die Kollektoranschlüsse
E und F benötigt.
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In FIG. 5 sind als bipolare Transistoren 51, 52 und 53 ausgebildete
Stromquellen dargestellt. Die Basisanschlüsse
der bipolaren Transistoren
sind parallel geschaltet und werden von einer zweiten Steuerdiode D2 gespeist. Die
Steuerdiode D2 ist durch Zusammenschluß des Kollektors mit der Basis eines weiteren
bipolaren Transistors gebildet. Ihr wird über einen Widerstand :R3 ein den Stromquellenstrom
in den Kollektoranschlüssen E, F und G bestimmender Strom eingespeist.
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Die Funktion der in FIG. 5 gezeigten Schaltung entspricht der der
in FIG. 4 gezeigten.
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In-vielen Fällen wird der erfindungsgemäße Oszillator verwendet, um
I2L,,,Schaltungen anzusteuern. Eine Auskopplung der Oszillatorfrequenz über Kondensatoren
ist dann ungünstig, da diese vor allem bei tiefen Oszillatorfrequenzen viel Platz
beanspruchen. Bei einer integrierten Lösung der Oszillatore:l zur Ansteuerung von
I21-Schaltungen sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung es vor, daß
am Kollektor des an seiner Basis gesteuerten Transistors T4 eine von einem Transistor
in Emitterschaltung 61 gespeiste Stromspiegelschaltung angeschlossen ist, die aus
einer dritten Steuerdiode D3 mit von dieser gesteuertem weiteren Transistor 62 in
Emitterschaltung besteht.
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Eine derartige Auskoppelschaltung ist in FIG. 6 dargestellt.
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Dabei ist die Basis des Transistors 61 über den Anschluß A mit dem
Kollektor des an seiner Basis gesteuerten Transistors T4 (siehe FIG. 2) angeschlossen.
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Die maximale Betriebsfrequenz der in FIG. 6 gezeigten Ankoppelschaltung
läßt sich erforderlichenfalls erhöhen, wenn, wie in FIG. 6 dargestellt, parallel
zur dritten Steuerdiode D3 ein ohmscher Widerstand R3 geschaltet ist.
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In FIG. 7 ist eine Auskoppelschaltung dargestellt, die an beiden Anschlüssen
A und B an die in FIG. 2 und 3 gezeigten Oszillatoren angeschlossen werden kann
und ebenfalls für hohe BetrieDsSrequenzen vorteilhaft einsetzbar ist. An jedem Kollektor
der beiden Transistoren T3 und T4 (siehe FIG. 2 und 9) ist jeweils ein vierter und
fünfter Transistor 71 bzw. 72 in Emitterschaltung mit seiner Basis angeschlossen.
Der Kollektor des vierten Transistors 71 speist eine Stromspi egels chaltung, die
aus einer vierten Steuerdiode D4 nit von dieser gesteuertem weiteren Transistor
73 in Emitterschaltung besteht. Der Kollektor des weiteren Transistors 73 ist zum
einen mit dem Kollektor des funften Transistors 72 in Emitterschaltung und zum anderen
mit der Basis eines sechsten Transistors 74 in Emitterschaltung verbunden.
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Die Ansteuerung der Schaltung an den Punkten A und B durch den,jeweiligen
Oszillator erfolgt gegenphasig. Ist z. B.
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Transistor 71 und damit die Steuerdiode D4 und der Transistor 73 gesperrt,
so ist der Transistor 72 leitend gesteuert und der Transistor 74 besitzt eine leitende
Eollektor-Emitter-Strecke.
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Wird dagegen der Transistor 72 gesperrt und der Transistor 71 durch
den jeweiligen Oszillator leitend gesteuert, so ist auch die Steuerdiode D4 und
der Transistor 73 leitend und im Sättigungszustand, wodurch der Transistor 74 gesperrt
und somit die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 74 hochohmig ist.
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Am Kollektorausgang P des Transistors 74 in FIG. 7 bzw.
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des Transistors 62 in FIG. 6 kann die jeweilige I2I-Schai-
tung
zur Weiterverarbeitung der Oszillatorfrequenz angeschlossen werden.
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Transistor 73 erlaubt, wie R3 in wIG. 6, eine schnelle Sperrung des
Transistors 74 (bzw. 62 in FIG. 6), so daß eine maximale Betriebsfrequenz der Auskoppelschaltung
erzielt wird.