DE3010009A1

DE3010009A1 - Oszillatorschaltung

Info

Publication number: DE3010009A1
Application number: DE19803010009
Authority: DE
Inventors: John Robert Burgoon
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1979-05-29
Filing date: 1980-03-15
Publication date: 1980-12-11
Also published as: JPS6347003B2; GB2052200B; CA1132208A; GB2052200A; DE3010009C2; JPS55158705A; US4283691A

Description

Int. Az.: Case 1351 -, 3. 3. März 1980

Hewlett-Packard Company

OSZILLATORSCHALTUNG

OsziIlatorschaltungen weisen grundsätzlich eine schwingfähige Schleife auf, aus welcher mittels Verstärkern Leistung entnommen wird. Bei bekannten Anordnungen erfolgt die Leistungsentnahme dadurch, daß die Spannung an einem der Schaltelemente in der Schleife abgegriffen und verstärkt wird. Bei Oszillatoren mit Kristall resonatoren führt diese Methode zu einer ziemlich hohen Rauschkomponente im Ausgangssignal. Zum Rauschen tragen grundsätzlich zwei Quellen bei, nämlich die schwingfähige Schleife mit ihrem invertierenden Verstärker und die Pufferverstärker für die Entnahme des Signals aus der Schleife. Um den Rauschbeitrag der Schleife im Ausgangssignal zu minimieren, kann als Ausgangssignal eine Spannung benutzt werden, die proportional zum Strom durch den Resonator ist. Die Verringerung der Rauschkomponente ergibt sich dabei dadurch, daß der Strom durch den Resonator innerhalb des Oszillators das sauberste Signal darstellt, da der Resonator als Filter wirkt. Die Entnahme des Signals, kann zum Beispiel dadurch erfolgen, daß in Reihe mit dem Resonator ein kleines Impedanzelement geschaltet wird und die an diesem abfallende Spannung als Ausgangssignal verwendet wird.

Um ein hohes Signal-/Rausch-Verhältnis zu erhalten, das nur minimal vom Eigenrauschen der Ausgangspufferverstärker beeinträchtigt wird, ist eine hohe Ausgangssignalspannung erwünscht. Wenn die Impedanz des Schaltelementes, an dem das Ausgangssignal als Spannungsabfall erzeugt wird, bei einer der obengenannten Methoden wesentlich vergrößert würde, würde jedoch die Abstimmung oder die Güte der Oszillatorschleife stark gestört werden.

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Int. Az.: Case 1351 - 4 -

Der Erfindung gemäß Anspruch 1 liegt die Aufgabe zugrunde, eine Oszillatorschaltung zu schaffen, die eine Auskoppeleinrichtung aufweist, die zur Oszillatorschleife hin eine niedrige Impedanz und zu den Ausgangspufferverstärkern eine hohe Impedanz hat, ohne daß die Abstimmung oder die Güte des Oszillators negativ beeinflußt werden.

Erfindungsgemäß v/erden sowohl die Rauscheffekte der Oszillatorschleife als auch die der Pufferverstärker minimiert. Vorzugsweise enthält die erfindungsgemäße Oszillatorschaltung einen Kristallresonator in Reihe mit dem Eingang und dem Ausgang eines invertierenden Verstärkers. Außerdem ist eine aktive Auskoppeleinrichtung vorgesehen, die in Reihe mit dem Kristallresonator geschaltet ist, für die Oszillatorschleife eine geringe Impedanz darstellt und ein Ausgangssignal mit hohem Signal/Rausch-Verhältnis erzeugt entsprechend dem Stromfluß durch den Kristallresonator.

In den beiden beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält die aktive Auskoppeleinrichtung einen Transistor und eine mit dem Transistor verbundene Ausgangsimpedanz, wodurch ein hohes Signal/Rauschverhältnis der daran abfallenden Ausgangssignalspannung erreicht wird. Bei der ersten Ausführungsform ist ein einzelner Transistor vorhanden, der in Basisschaltung in Reihe mit dem Kristall resonator geschaltet ist. Dabei sind Basis und Emitter dieses Transistors mit dem Kristallresonator in Reihe zwischen den Eingang und den Ausgang des invertierenden Verstärkers geschaltet. Die Ausgangsimpedanz ist zwischen Kollektor und Basis dieses Transistors geschaltet. Diese Konfiguration macht sich die "natürliche" Filterwirkung des Kristall resonators zunutze. Diese Filtercharakteristik führt zur Minimierung der Wirkung des Rauschens der Oszillator-

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Int. Az.: Case 1351 - 5 -

schleife auf das Ausgangssignal. Da der Transistor in Reihe mit dem Resonator geschaltet ist, wird der Resonatorstrom durch den Transistor erfaßt, und ein nahezu äquivalenter Strom wird der Ausgangsimpedanz zugeführt. Die Basisschaltung des Transistors bedeutet außerdem eine niedrige Impedanz für die Oszillatorschleife, wodurch es möglich wird, die Ausgangsmpedanz zu vergrößern um ein Ausgangssignal mit einem ausgewählten Signal/Rausch-Verhältnis zu erzeugen.

Bei der zweiten Ausführungsform ist der Einzel transistor durch ein Darlington-Paar in Basisschaltung ersetzt. Dadurch ist das Ausgangsrauschen reduziert um das Produkt der Basis/Emitter-Gleichstromverstärkungen der beiden Transistoren. Bei der ersten Ausführungsform ist die Rauschleistung nur um die Basis/Emitter-Gleichstromverstärkung des einen Transistors verringert. Vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 schematisch die Schaltung einer ersten Ausführungsform

der Erfindung;
Figur 2 ein vereinfachtes Schaltbild der Ausführungsform gemäß Figur 1;

Figur 3 eine andere Darstellung der Ausführungsform gemäß Figur 2, bei der der Transistor als Ersatzschaltbild für die Basisschaltung mit den verschiedenen Rauschquellen dargestellt ist;

Figur 4 eine andere Darstellung der Schaltung gemäß Figur 3, die die Wirkung der Rauschquelle i nach dem überlagerungsprinzip zeigt;

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Int. Az.: Case 1351 - 6 -

Figur 5 eine andere Darstellung der Schaltung gemäß Figur 3, die die Wirkung der Rauschquelle e, nach dem Überlagerungsprinzip zeigt;

Figur 6 schematisch die Schaltung einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 7 das vereinfachte Prinzipschaltbild der Schaltung gemäß

Figur 6;
Figur 8 eine andere Darstellung der Schaltung gemäß Figur 7, bei der die Transistoren durch ihre Ersatzschaltbilder in Basisschaltung zusammen mit den verschiedenen Rauschquellen dargestellt sind;

Figur 9 eine andere Darstellung der Schaltung gemäß Figur 8, die die Wirkung der Rauschquelle i „ nach dem Überlagerungsprinzip darstellt; und

Figur 10 eine andere Darstellung der Schaltung gemäß Figur 8, die die Wirkung der Rauschquelle i . nach dem Überlagerungsprinzip zeigt.

In Figur 1 ist in vereinfachter Form eine Oszillatorschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Schaltung weist zwei parallele Kondensatoren 10 und 12,einen Kristall resonator 14, einen Umkehrverstärker 16, einen Transistor 20 in Basisschaltung und einen Ausgangskondensator 22 auf. Dpr Resonator 14 ist mit einem Ende mit dem Eingang des Umkehrverstärkers 16 und dem Kondensator 12 verbunden. Der Ausgang des Umkehrverstärkers 16 ist über einen Rückkopplungspfad 26 mit dem Kondensator 10 verbunden. Die jeweils anderen Anschlüsse der Kondensatoren 10 und 12 sowie der Referenzanschluß des Umkehrverstärkers 16 sind mit einer Referenzleitung 24 verbunden. Der Transistor 20 ist mit seinem Emitter mit dem zweiten Ende des Kristal!resonators 14, mit seinem Kollektor mit dem einen Anschluß des Ausgangskondensators 22 und mit seiner Basis mit dem Rückkopplungspfad 26 verbunden. Der andere Anschluß des Ausgangskondensators 22 ist ebenfalls mit dem Rückkopplungspfad 26 verbunden, wodurch sich die Ausgangsspannung des

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Oszillators am Ausgangskondensator 22 aufbaut.

In dieser Konfiguration liegt der Ausgangskondensator 22 effektiv in Reihe mit dem Kristallresonator 14, wobei der durch ihn fließende Strom im wesentlichen dem Resonatorstrom entspricht (z.B.oUn . ). Da der Resonator 14 als Filter wirkt und das hauptsächlich vom Umkehrverstärker 16 erzeugte Rauschen der Oszillatorschleife dämpft, ist auch die von der Oszillatorschleife herrührende Rauschkomponente im Ausgangssignal minimiert. Von der Oszillatorschleife aus rückwärts in die Punkte A und B auf den Transistor 20 zu gesehen erscheint eine niedrige Impedanz, die im wesentlichen gleich r + ^rb ist, wobei r der interne inkrementeile Emitterwiderstand des Transistors 20, r, der interne inkrementelle Basisinnenwiderstand des Transistors 20 und /i die Gleichstromverstärkung zwischen Basis und Emitter des Transistors 20 sind.

Da r und r, naturgemäß klein sind und p> naturgemäß groß ist, ist die Impedanz, die der Transistor 20 für den restlichen Oszillatorkreis darstellt, sehr klein. Daher hat die Impedanz der Auskopplungsschaltung nur einen minimalen Effekt auf die Güte und die Abstimmung des Oszillators selbst. Der Ausgangskondensator 22 ist daher vom Oszillato-kreis isoliert, wodurch es möglich wird, die Impedanz des Ausgangskondensators 22 und damit die Amplitude des Ausgangssignals zu erhöhen und die Rauschwirkung der Ausgangspufferverstärkerstufen (hier nicht dargestellt) zu minimieren, d.h. das Signal/Rausch-Verhältnis zu maximieren, ohne daß die Güte oder die Abstimmung des Oszillators beeinträchtigt werden. Die Ausgangspufferverstärker können beliebige bekannte Verstärker sein, im einfachsten Falle eine einfache Verstärkerstufe in Emitterschaltung.

Da der Kristallresonator 14 die Rauschströme in der Oszillatorschleife minimiert, läßt sich die Schaltung gemäß Figur 1 in stark vereinfachter Form umzeichnen, wodurch sich die von dem Transistor 20 erzeugten Rauschsignale untersuchen lassen. Figur 2

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zeigt diese einfachere Form der Schaltung, die den Transistor in Basisschaltung, den Basiswiderstand R_ß, eine Resonatorstromquelle sowie eine Lastimpedanz Z. enthält. Der Basiswiderstand R_D ist mit einem Ende mit der Basis des Transistors 20 und mit

seinem anderen Ende mit dem einen Ende der Lastimpedanz Z. und dem Ausgang der Resonatorstromquelle verbunden. Der Kollektor des Transistors 20 ist mit dem anderen Ende der Lastimpedanz Z. verbunden, und sein Emitter ist mit dem Rückkehreingang der Resonatorstromquelle verbunden. In diesem Ersatzschaltbild ist die gesamte Oszillatorschleife zur Resonatorstromquelle zusammengefaßt, und der Ausgangskondensator 22 ist in allgemeinerer Form als Lastimpedanz Z. dargestellt.

Der mit dem Kristall resonator 14 in Reihe geschaltete Transistor 20 in Basisschaltung bietet noch einen weiteren sehr wichtigen Vorteil. Von den Punkten A und B in Figur 1 aus gesehen erscheint in den Kristallresonator 14 hinein gesehen eine Impedanz, die einem Leerlauf entspricht, wenn der Resonator 14 außerhalb der Resonanz ist. Daher trägt nur das Basis-Rekombinierungsrauschen des Transistors 20 zum Ausgangsrauschverhältnis bei. Zur Untersuchung der Wirkung des Rekombinierungsrauschens ist das Prinzipschaltbild der Figur 2 in Figur 3 unter Benutzung des T-Ersatzschaltbildes für die Basisschaltung mit allen Rauschquellen umgezeichnet.

Die Wirkung der einzelnen in Figur 3 dargestellten Rauschquellen auf die Ausgangsspannung an der Impedanz Z. läßt sich unter Benutzung des Überlagerungsprinzips betrachten und zwar dadurch, daß die Wirkung jeder einzelnen Rauschquelle bei Leerlauf der anderen unabhängigen Stromquellen und Kurzschluß der anderen unabhängigen Spannungsquellen untersucht wird. In Figur 4 ist die Schaltung gemäß Figur 3 so umgezeichnet, daß sie die Wirkung der Rauschquelle i zeigt. Da I Null ist (d.h. die Resonatorstromquelle läuft leer) ist der Strom öJ des abhängigen Generators

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auch Null, und es gibt keine Wirkung auf das Ausgangssiqnal durch die Rauschquelle i_e·

Für die Darstellung der Rauschquelle e, wurde die Schaltung gemäß Figur 5 umgezeichnet. Auch hier ist I Null, da vorausgesetzt wird, daß die Resonatorstroniquelle abgetrennt ist und dementsprechend auch die abhängige Stromquelle <£I Null ist. Daher gibt es auch hier keine Wirkung der Rauschspannungsquelle e, auf die Ausgangsspannung an Z. . Durch eine ähnliche Überlagerungsbetrachtung läßt sich aus Figur 3 ersehen, daß der Rauschstrom i durch die Lastimpedanz Z, fließt, und daher die Ausgangsspannung beeinflußt. Daher ist der Strom i des Basis-Rekombinationsrauschens die einzige Rauschkomponente im Ausgangssignal der Schaltung gemäß Figur 1.

Figur 7 zeigt eine ähnliche Schaltung wie Figur 1, wobei jedoch der einzelne Transistor in Basisschaltung gemäß Figur 1 durch die Transistoren 20' und 20" ersetzt ist. Die Transistoren 20' und 20" sind als Darlington-Paar geschaltet, welches als solches in Basisschaltung angeordnet ist, wie es auch bei dem einzelnen Transistor 20 in Figur 1 der Fall ist. Diese Schaltung arbeitet in gleicher Weise wie die Schaltung gemäß Figur 1 mit der Ausnahme, daß das Darlington-Paar den Rauschpegel im Ausgangssignal der Oszillatorschaltung weiter reduziert.

Die Schaltung gemäß Figur 6 läßt sich ebenfalls als Prinzipschaltbild umzeichnen (Figur 7), wobei die gleichen Prinzipien gelten wie bei den Schaltungen gemäß Figuren 1 und 2. In Figur 8 sind die Transistoren 20' und 20" aus Figur 7 durch ihre T-Ersatzschaltbilder für die Basisschaltung ersetzt (entsprechend Figuren 3 und 2). Wendet man wieder das üboriagerungsprinzip an, so zeigt sich, daß die Rauschquellen i , und e, . des transistors 2Ü' und i_e2 und e^ des Transistors 20", sowie t?,, koine Wirkung auf die

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"bad

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Int. Az.: Case 1351 - 10 -

Ausgangsspanriung einer Impedanz Z. haben (entsprechend den Überlegungen in Verbindung mit Figuren 4 und 5). Um die Wirkung des ßasis-Rekombinationsrauschstronis des Transistors 20", d.h. i λ> auf die Ausgangsspannung zu zeigen, ist die Schaltung gemäß Figur 8 in Figur 9 so umgezeichnet, daß alle unabhängigen Stromquellen offen sind und alle unabhängigen Spannungsquellen kurzgeschlossen sind. Da I . Null und damit auch die abhängige Stromquelle &Λ , Null ist , läßt sich aus Figur 9 ersehen, daß auch der Strom I ~ Null ist. Da der Strom I _? Null ist ist auch der abhängige Strom oUl ρ Null. Da die Stromquelle für das ßasis-Rekombinationsrauschen i ~ mit der letztgenannten Stromquelle parallelgeschaltet ist, fließt dieser Strom durch die Lastimpedanz Z. und erscheint daher als Rauschen in der Ausgangsspannung.

Zur Verdeutlichung der Wirkung des Basis-Rekombinationsrauschens des Transistors 20', d.h. i , auf das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung ist in Figur 10 die Schaltung gemäß Figur 8 in ähnlicher Weise umgezeichnet. Aus Figur 10 läßt sich ersehen, daß der Strom I « gleich dem Strom i - ist und dementsprechend auch der abhängige Strom oC,I „ gleich dem Strom<Χ_?ι 1 ist.

Der Beitrag des Basis-Rekombinationsrauschstroms i 1 zum Strom durch die Lastimpedanz Z. ist dann also (1 -oOi 1.

Die zusätzliche das Rauschen vermindernde Wirkung des Darlington-Paars ergibt sich aus den folgenden Gleichungen.

flach der obigen Betrachtung ist die gesamte Rauschleistung in /b Z, proportional zn

i~; -- i"" ., f (1-oijV, (D

Di > Oii-idrit de; u.i. i;-Pekoiüb iri»Mori5rau:Uhstro!tis i ist bekanntli.h

O 3 O Ü 5 U / O 6 ] ί)

bad

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2
ic ⁼

Dabei ist q die Ladung eines Elektrons, und I„ ist die Gleichstromkomponente des Basisstroms.

Eine weitere bekannte Beziehung lautet (1 -otj² =-L (3)

Dabei sind oU und (Ir, die Wechsel Stromverstärkungen für den Transistor 20".

Substituiert man Gleichungen (2) und (3) in Gleichung (1), so erhält man

? ¹RI

, "U = 2q (I_R2 +-^) (4)

'■ ^J -. ^ß P-\

Aus einer anderen bekannten Beiziehung ergibt sich

Dabei sind I_R1 die Gleichstromkomponente des Basisstroms des Transistors 20', Ip₁ die Gleichstromkomponente des Kollektorstroms des Transistors 20' und/3_n1 die Basis/Emitter-Gleichstromverstärkung des Transistors 20'.

Aus Figur 7 ergibt sich außerdem

¹B! ^ ^TC2 ⁼ Ρθ2^!Β2 ⁽⁶⁾

Dabei sind Ino und I™ die Gl ei chstronikomponenten des Basis- bzw. Kollektorstroms des Transistors 20", und /3_Q2 ist die Basis/Emitter-

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Gleichstromverstärkung des Transistors 20". Aus Gleichungen (5) und (6) ergibt sich

Substituiert man die Beziehungen aus Gleichungen (5) und (7) in Gleichung (4), so ergibt sich

2 f ¹H ¹H λ

Dies vereinfacht sich zu

2
Da im allgemeinen ^₂ ^^02 ^ist' reduziert sich Gleichung (9) auf

2 ²^¹CI

¹T - ^W₂ "⁰⁾

im Vergleich zu

= i * = 2ql_qi = 2q^IC1 (11)

¹Cl
für die Konfiguration gemäß Figur 1 ohne Darlington-Paar.

Die Rauschleistung im Ausgangssignal der Schaltung gemäß Figur 6 ist also im Vergleich mit der Schaltung gemäß Figur 1 um die Gleichstromverstärkung ß_n? des Transistors 20" weiter reduziert.

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Claims

Int. Az.: Case 1351 3. März 1980

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PATENTANSPROCHE

' 1/ Oszillatorschaltung mit einer schwingfähigen Schleife, die einen Kristalloszillator, weitere Reaktanzelemente sowie einen Umkehrverstärker aufweist, und mit einer Auskoppeleinrichtung zur Leistungsentnahme aus der Oszillatorschleife, dadurch g e kennzeichnet, daß in Reihe mit dem Kristanresonator (14) eine aktive Ausgangsschaltung (20, 22) geschaltet ist, die gegenüber der Oszillatorschleife eine niedrige Impedanz darstellt und ein Ausgangssignal mit hohem Signal-/Rausch-Verhältnis entsprechend dem Strom durch den Kristall resonator abgibt.
2. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Ausgangsschaltung (20, 22) eine Transistorschaltung (20) und eine damit verbundene Impedanzschaltung (22) aufweist.
3. Oszillatorschaltung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Transistorschaltung (20) einen einzelnen Transistor (20) in Basisschaltung aufweist, dessen Basis mit dem Ausgang (26) des Umkehrverstärkers (16), dessen Emitter mit dem Kristall resonator (14) und dessen Kollektor mit dem einen Ende der Impedanzschaltung (22) verbunden ist, deren anderes Ende mit dem Ausgang des Umkehrverstärkers verbunden ist.
4. Oszillatorschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorschaltung (20) einen Transistor in Basisschaltung aufweist, dessen Basis mit dem Kristallresonator, dessen Emitter mit dem Eingang des Umkehr-Verstärkers und dessen Kollektor mit dem einen Ende der Impedanzschaltung (22) verbunden ist, deren anderes Ende mit der Basis des Transistors verbunden ist.

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Int. Az.: Case Ϊ351

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5. Oszillatorschaltungnach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorschaltung zwei Transistoren (20', 20") als Darlington-Paar in Basisschaltung aufweist, bei der einerseits die beiden Kollektoren und andererseits der Emitter des einen Transistors mit der Basis des anderen verbunden sind, wobei der Emitter des anderen Transistors (20¹) mit dem Kristall resonator 15, die Basis des einen Transistors (20") mit dem Ausgang des Umkehrverstärkers (16) und die Kollektoren beider Transistoren mit dem einen Ende der Impedanzschaltung (22) verbunden sind, deren anderes Ende mit dem Ausgang (26) des ümkehrverstärkers verbunden ist.
6. Osziilatorschaltung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzschaltung einen Kondensator (22) aufweist.
7. Osziiiatorschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorschaltung zwei Transistoren als Darlington-Paar in Basisschaltung aufweist, bei der die Kollektoren der beiden Transistoren und der Emitter des einen Transistors mit der Basis des anderen Transistors verbunden sind, wobei der Emitter des anderen Transistors mit dem Eingang des Umkehrverstärkers, die Basis des einen Transistors mit dem Kristal!resonator und die Kollektoren beider Transistoren mit einem Ende der Impedanzschaltung verbunden sind, deren anderes Ende mit der Basis des einen Transistors verbunden ist.

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