DE3010009C2 - Oszillatorschaltung - Google Patents

Description

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

Fig. 1 schemalisch die Schaltung eines ersten Ausführungsbeispiels ;

Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine andere Darstellung des Ausrührungsbeispiels gemäß Fig. 2, bei der der Transistor als Ersatzschaltbild für die Basisschaltung mit den verschiedenen Rauschquellen dargestellt ist;

Fig. 4 eine andere Darstellung der Schaltung gemäß Fig. 3, die die Wirkung der Rauschquelle i_f nach dem Überlagerungsprinzip zeigt;

Fig. 5 eine andere Darstellung der Schaltung gemäß Fig. 3. die die Wirkung der Rauschquelle c_h nach dem Überlagerungsprinzip zeigt:

Fig. 6 schematisch die Schaltung eines anderen Ausführungsbeispiels: .

Fig. 7 das vereinfachte Prinzipschaltbild der Schaltunggemäß Fig. 6;

Fig. 8 eine andere Darstellung der Schaltung gemäß Fig. 7. bei der die Transistoren durch ihre Ersu'.Tschaiibilder in Basisschaltung zusammen mit den verschiedenen Rauschquellen dargestellt sind:

Fig. 9 eine andere Darstellung der Schaltung gemäß Fig. 8, die die Wirkung der Rauschqucllc i_r2 nach dem Überlagerungsprinzip darstellt; und

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

In Fig. 1 ist in vereinfachter Form eine Oszillatorschaltung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt. Die Schaltung weist zwei parallele Kondensatoren 10 und 12, einen Kristallrcsonuior 14. einen 'umkehrverstärker 16. einen Transistor 20 in Basisschaltung und einen Ausgangskondensator 22 auf. Der Resonator 14 ist mit einem Ende mit dem Eingang des Umkelirvcrstärkers 16 und dem Kondensator 12 verbunden. Der Ausgang des Umkehrverstärkers 16 isi über einen Rückkopplungspfad 26 mit dem Kondensator 10 verbunden. Die jeweils anderen Anschlüsse der Kondensatoren 10 und 12 sowie der Refercnzan.schluß des Umkehrverstärkers 16 sind mit einer Refercnzlcitung 24 verbunden. Der Transistor 20 ist mit seinem Emitter mit dem zweiten Ende des Krislallrcsonators 14. mit seinem Kollektor ir.':t dem einen Anschluß des Ausgangskondensato's 22 und mit seiner Basis mit dem Rückkopplungspfad 26 verbunden. Der andere Anschluß des Ausgangskondensators 22 ist ebenfalls mit dem Rückkopplungspfad 26 verbunden, .vodurch sich die Ausgangsspannung des Oszillators am Ausgangskondensaior 22 aufbaut.

In dieser Konfiguration liegt der Ausgangskondensator 22 effektiv in Reihe mit dem Kristallresonaior 14, wobei der durch ihn fließende Strom im wesentlichen dem Resonatorstrom entspricht (z.B. !/,,„„,„„Ι. Da der Resonator 14 als Filter wirkt und das hauptsächlich vom Umkehrverstärker 16 erzeugte Rauschen der Os/.illatorschleife dämpft, ist auch die von der Oszillaiorsehleile herrührende Rauschkomponentc 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. + η ist, wobei r. der interne inkremenlelle

Emitterwiderstand des Transistors 20, r_h der interne inkrementell Basisinncnv, iderstand des Transistors 20 und /i die Gleichstromverstärkung zwischen Basis und Emitter des Transistros 20 sind. Da r_f und r_h naturgemäß klein sind und /i naturgemäß groß ist, ist die Impedanz, die der Transistor 20 für den restlichen OsziUatorkreis 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 Oszillatorkreis isoliert, wodurch es möglich wird, die Impedanz des

tu 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

is 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 Oszillatorschicife minimiert, läßt sich die Schaltung gemäß Fig. 1 in stark vereinfachter Form umzeichnen, wodurch sich die von dem Transis:vr 20 erzeugten Rauschsignalc untersuchen lassen. Fig. 2 zeigt diese einfachere Form der Schaltung, die den Transistor 20

:5 in Basisschaltung, den Basiswiderstand R_B. eine Rfsonatorsiromquelle sowie eine Lastimpedanz Z₁ enthält. Der Basis^iderstand R_B ist mit einem Ende mit der Basis des Transistors 20 und mit seinem anderen Ende mit dem einen Ende der Lastimpedanz Z₁ und dem Ausgang

M der Resonatorstromquelle verbunden Der Kollektor des Transistors 20 ist mit dem anderen Ende der Lastimpedanz Z₁ verbunden, und sein Emitter ist mit dem Rückkehrcingang der Resonalorstromquelle verbunden. In diesem Ersatzschaltbild ist die gesamte Oszillator-

J5 schleife zur Resonatorstromquelle zusammengefaßt, und der Ausgangskondensator 22 ist in allgemeinerer Form als Lastimpedanz Z₁ dargestellt.

Der mit dem Kristallresonaior 14 in Reihe geschaltete Transistor 20 in Basisschaltung bietet noch einen weiteren

■«ι sehr wichtigen Vorteil. Von den Punkten A und B in Fig. 1 aus gesehen erschein', in den Kristallresonator 14 hinein gesehen eine Impedanz, die einem Leerlauf entspricht, wenn der Resonator 14 außerhalb der Resonanz ist. Daher irägt nur das Basis-Rckombinierunpsrauschen

■>'· des Transistors 20 zum Ausgangsrauschverhäunis bei. Zur Untersuchung der Wirkung des Rekumbinierungsrauschens ist das Prinzipschaltbild der Fig 2 in Fig. 3 unter Benutzung des T-Ersatzschaltbildes für die Basisschaltung mit allen Rauschquellen umgezeichnet.

sii Die Wirkung der einzelnen in Fig. 3 dargestellten Kauschqucllen auf die Ausgangsspannung an der Impedanz/, läßt sieh initcr Benutzung des Überlagerungsprinzips betrachten und zwar dadurch, daß die Wirkung jeder einzelnen Rauschqucüc bei Leerlauf der anderen unabhängigen Stromquellen und Kurzschluß der anderen unabhängigen Spannungsquellen untersucht wird. In Fig. 4 ist die Schaltung gemäß Fig. 3 so umgezeichnet, daß sie die Wirkung der Rauschquelle Z₁, zeigt. Da /,. Null ist (d.h. die Resonatorstromquellc läuft leer)

wi ist der Strom a/, dc, abhängigen Generators auch Null, und es gibt k-.-ine Wirkung auf das Ausgangssignal durch die Rauschqucllc /,.

Für die Darstellung der Rauschquelle c_h wurde die Schaltung gemäß Fig. 5 umgezeichnet. Auch hier ist I₁, Null, da vorausgesetzt wird, daß die Resonatorstromquellc abgetrennt ist und dementsprechend auch die: abhängige Stromquelle ϊ/,. Null ist. Daher gibt es auch hier keine Wirkung der Rauschspannungsquelle t·,, auf

die Ausgangsspannung an Z₁. Durch eine ähnliche Überlagerungsbetrachtung laßt sich aus I'ig. 3 ersehen, daß der Rauschstrom i_r durch die Lasiimpcdaiu Z₁ fließt. und daher die Ausgangsspannung beeinflußt. Daher ist der Strom i_r des Basis-Rekombinatioiisraiischens tlic einzige Ruuschkcmponentc im Ausgangssignai der Schaltung gemäß Kig. I.

Fig. 7 zeigt eine ähnliche Schaltung wie I· ig. I. wobei jedoch der einzelne Transistor in Basisschaltung gemäß Fig. 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 Fig. 1 der Fall ist. Diese Schaltung arbeitet in gleicher Weise wie die Schaltung gemäß Fig. I mit der Ausnahme, daß das Darlingion-Paar den Rauschpegel im Ausgangssignal der Oszillaiorsehaltung weiter reduziert.

Die Schaltung gemäß Fig. 6 läßt sich ebenfalls als Prinzipschaltbild umzeichnen (F ig. 7). wobei die gleichen Prinzipien gelten wie bei den Schaltungen gemäß Fig. i und 2. In Fig. 8 sind die Transistoren 20' und 20" aus Fig. 7 durch ihre T-F.rsatzsehallbilder für die Uasisschaltung ersetzt (entsprechend Fig. 3 und 2). Wendet man wieder das Überlagcrungsprinzip an. so zeigt sich, daß die Rauschquellcn Z₁., und c_M des Transistors 20' und i_el und i\, des Transistors 20". sowie <·„ keine Wirkung auf die Ausgangsspannung einer Impedanz Z₁ haben (entsprechend den Überlegungen in Verbindung mit Fig. 4 und 5). Um die Wirkung des B.isis-Rckombinationsrauschstroms des Transistors 20". d.h. /_c,. auf die Ausgangsspannung zu /eigen, ist die Schaltung gemäß Fig. 8 in Fig. 9 so umgezeichnet, daß alle unabhängigen Stromquellen offen sind und alle unabhängigen Spannungsquellen kurzgeschlossen sind. Da /,., Null und damit auch die abhängige Stromquelle a,/,., Null ist. läßt sich aus Fig. 9 ersehen, daß auch der Strom /,., Null ist. Da der Strom /,., Null ist ist auch der abhängige Strom I₂Z_1-2 N'u'ii. Da die Stromquelle für das Basis-Rekombinationsrauschen Z₁., mit der letztgenannten Stromquelle parallelgcschaltct ist. Hießt dieser Strom durch die Lastimpedan/ Z, und erscheint daher als Ruiischen in der Ausgangsspannung.

Zur Verdeutlichung der Wirkung des Basis-Rekombinationsrauschens des Transistors 20'. d.h. Z₁, auf das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung ist in Fig. 10 die Schaltung gemäß Fig. 8 in ähnlicher Weise umgezeichnet. Aus Fig. 10 läßt sich ersehen, daß der Strom /., gleich dem Strom Z_r, ist und dementsprechend auch der abhängige Strom i, Z,., gleich dem Strom ϊ,Ζ,Ι ist.

Der Beitrag des Basis-Rekombinationsrauschstroms Z, 1 zum Strom durch die Lastimpedan/ Z₁ ist dann also (l-a,)/_cl.

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

Nach der obigen Betrachtung ist die gesamte RauschleistunginZ, proportional zu

Das Quadrat des Basis-Rekombinationsrauschsiroms (_rist bekanntlich

Dabei ist q die Ladung eines F.lektrons. und I_B ist die Gleichstromkomponente des Basisstroms.

Fine weii.cre bekannte Beziehung lautet
(1 ^)²=! (3)

Dabei sind a₂ und /(, die Wechsclstromverstärkungcn für den Transistor 20".

Substituiert man Gleichungen (2) und (3) in Gleichung (I), so erhiilt man

Aus einer anderen bekannten Beziehung ergibt sich

Dabei sind Z_B1 die Gleichstromkomponente des HasissiiwiTis i!~; Trünsisiors 20'. /,-·, die O!eichsirnmki>mponenie des Kollckiorstroms des Transistors 20' und /Z₁₁₁ die Basis/F.mitlcr-Glcichstromverstärkung des Transistors 20'.

Aus Fi|i. 7 ergibt sich außerdem

Dabei sind I₁₁₁ und l₍-, die Glcichstromkomponcntcn des Basis- h?:.v. Kollcktorstroins des Transistors 20", und ll„, ist die Basis/Fmilter-Gleichstromverstärkung des Transistors 20".

Aus Gleichungen (5) und (6) ergibt sich

Substituiert man die Beziehungen aus Gleichungen (5) und (7) in Gleichunii (4h so erEibt sich

Dies vereinfacht sich zu

'^{i=2v 1}L (L ⁺ ßi

Da im allgemeinen l<\^>ß,,i 'st. reduziert sich Gleichung (9) auf

im Vergleich zu

für die Konfiguration gemäß Fig. 1 ohne Darlington-Paar.

Die Rauschleistung im Ausgangssignal der Schallung gemäß Fig. 6 ist also im Vergleich mit der Schaltung gemäß Fig. 1 um die ülcichstromvcrstärkung /J₀₂ des Transistors 20" weiter reduziert.

Hierzu 7 Bian Zeichnungen

Claims (4)

1. dann gering gehalten werden kann, wenn die Ausgangs-Patentansprüche: spannung der Auskoppeleinrichtung hoch ist. Bei dem

   bekannten Transistor-Oszillator bedingt dies aber einen

   t Oszillatorschaliung mil einem in einer Rück- relativ hohen Widerstand in Reihe mit dem Quarzrek^pplungsschleife angeordneten Kristallresonalor, 5 sonator, was zu einer Verschlechterung der Gute rührt, bei der die Rückkopplungsschlcife einen in Basis- Demgegenüber wird durch das Kennzeichen von Anschaltung betriebenen Transistor und einen Umkehr- spruch 1 die Aufgabe gelöst, eine OszilI^torschaltung verstärker aufweist und mit einer Auskoppelcinrich- nach dem Oberbegriff derart weiterzubilden, daß die tung,dadurch gekennzeichnet, daß in der Rück- Auskoppeleinrichtung eine möglichst geringe Rauscnkopplungsschlcire die Basis-Emitterstrecke des Tran- in leistung erzeugt.

   sistors (20) derart in Serie mil dem Kristallrcsonaior Die erfindungsgemäße Schaltung macht sich die Hl-

   (14) geschaltet ist daß der Stromfluß durch den Kri- terwirkung des Kristallresonators zu Nutze. Eine geringe stallresonator (14) den Transistor (20) steuert, und Rauschleistung ergibt sich dadurch, daß der Strom durch daß der Transistor (20) als Auskoppclcinrichtung den Resonator innerhalb des Oszillators das sauberste dient deren Ausgänge die Basis und der Kollektor 15 Signd darstellt, da der Resonator als Filter wirkt. Der des Transistors (20) bilden. mit «km Resonator in Serie geschaltete Transistor wird
2. 2 Oszillatorschaliung nach Anspruch 1, dadurch in Basisschaltung durch den Resonatorstrom gesteuert. Bekennzeichnet daß die eine Seile des Krisiallreso- so daß ein zum Resonatorstrom äquivalenter Strom der natore (14) mit dem Eingang des Umkehrverstärkers Lastimpedanz zugeführt wird. Durch die Basisschaltung (16) verbunden ist; daß der Ausgang des Umkehr- :n des Transistors ergeben sich zusätzlich die Vorteile, dall Verstärkers (16) Üöcr einen Rückkopplungsplad (26) nur sein Basis-Rekombinationsrauschen im ausgekoppclan die Basis des Transistors i2G) angeschlossen ist. ten Signa! auftritt, daß die Auskoppelcinnchtung einen dessen Emitter mit der anderen Seile des Kristall- relativ niedrigen Widerstand in die Ruckkopplungsresonators (14) verbunden ist: und daß ein Bezugs- schleife einfügt, im wesentlichen rückwirkungsfrei ist potentialanschluß des Umkehrverstärkers (16) mit :< und ausgangsseilig keine zusätzliche Verstarkerstule ereinem ersten und einem zweiten Kondensator (12. 10) forderlich wird.

   verbunden ist, von denen der erste (U) an seinem an- Anspruch 2 kennzeichnet eine bevorzugte Aiislun-

   deren Anschluß mit dem Eingang des Umkehrvcr- rungsform einer derartigem Oszillatorschaltung. Gemäß stärkers (16) und der /weile (10) an seinem anderen Anspruch 3 läßt sich eine weitere Reduzierung des Anschluß mit dem Ausgang des Umkchrvcrsiärkers .*> Rauschens bzw. einer Erhöhung der Ausgangsspannung (16) verbunden isl. erreichen. Anspruch 4 kennzeichnet eine bevorzugte
3. 3 OszillatorscLaltung nach Anspruch I oder 2. l-orm der Belastung der Auskoppcleinnchtung. wodurch dadurch gekennzeichnet. d;'B sie ci^n /weiten Tran- kein zusätzlicher Rauschbcstrag erzeugt wird, sistor (20") aufweist, dessen Emitter mit der Basis In den beiden beschriebenen Ausführungsbeispiclcn

   des ersten Transistors (20') zur Bildung eines «5 der vorliegenden Erfindung enthält die aktive Auskoppel-Darlington-Paarcs verbunden ist. daß die Basis-Emit- einrichtung einen Transisior und eine mit dem Transistor terstrecken beider Transistoren (20'. 20") in der verbundene Ausgangsimpedanz, wodurch ein hohes Rückkopplungsschlcife derart in Serie mit dem Kri- Signal/Rauschvcrhältnis der daran abfallenden Ausstallresonator (14) geschaltet sind, daß der Strom gangssignalspannung erreicht wird. Bei dem ersten Ausdurch den Kristallresonalor (14) die Transistoren *■ führungsbeispiel ist ein einzelner Transirfr vorhanden. (20' 20") steuert, und daß die Transistoren (20'. 20") der in Basisschaltung in Reihe mit dem Kristallresonator als Auskoppeleinrichtung dienen, deren Ausgänge geschähet ist. Dabeisind Basis und Emitter dieses frandie Basis des zweiten Transistors (20') und die vcr- sistors mit dem Krisiallresonalor in Reihe zwischen aen bundenen Kollektoren der beiden Transistoren (20'. Eingang und den Ausgang des invertierenden Verstärkers 20") bilden ^4<1 geschaltet. Die Ausgangsimpedanz ist zwischen Kollektor
4. 4 Oszillatorschaliung nach einem der vorhcrge- und Basis dieses Transistors geschaltet Diese Konfihenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein guration macht sich die »natürliche« F-.lterwirkung des Kondensator (22) parallel zum Ausgang der Aus- Krislyllrcsonators zunutze. Diese Filtercharaktcr.stik koppeleinrichtung (20. 20'. 20") geschaltet isl. fuhrt zur Minimicrung der Wirkung des Rauschens der

   in Os/illaiorschlcil'c auf das Ausgangssigna!. Da der 1 ransisior in Reihe mit dem Resonator geschaltet ist, wird der Resonatorsirom durch den Transisior erfaßt, und ein nahezu äquivalenter Strom wird der Ausgangsimpedanz

   zugeführt. Die Basisschaltung des Transistors bedeutet

   si. außerdem eine niedrige Impedanz für die Oszillatorschlcife. wodurch es möglich wird, die Ausgangsirnpe-

   ,.„ dan/, zu vergrößern um ein Ausgangssignal mit einem

   U Die vorliegende Erfindung betrifft eine Oszillator- ausgewählten Signal, Rausch-Verhältnis zu erzeugen.

   ■'' schaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I. Bei dem zweiten Auslührungsbeispiel ist der E.nzel-

   '^; Es ist ein Transistor-Oszillator solcher Art bekannt «■ transistor durch ein Darlmgion-Paar in Basisschaltung

   M (DE-OS 1591553) bei dem die Aiiskoppcleinrichumg ersetzt. Dadurch ist das Ausgangsrauschen reduziert

   ι 1 dazu dient im Betrieb Leistung aus der Rückkopplung*· um das Produkt der Basis/F.miucr-Gleicnsiromverstar-

   H: schleife zu entnehmen. Die bekannte Auskoppelcinrich- klingen der beiden Transistoren. Be. dem ersten Aus-

   •'■" lung erzeugt aber eine unerwünscht hohe Riuischkom- führungsbeispicl isl die Rauschlcistung nur um die Basis

   ponentc Außerdem erfordert sie ausgangsseilig eine ιό Emitter-Cileichsiromvcrstarkung des einen Transistors nacheeschaltctc Verstärkcrsiulc. damit ciic Last keine verringert. Vorteilhafte Ausluhrungsfbrmcn b/.w. Wc.-

   H Rückwirkung auf den Oszillator hai. Diese Verstärker- icrhikhmgcn der Erfindung sind in den Unicranspruchcn

   *'■ stufe liefert eine weitere Rauschkomponentc. die nur gekennzeichnet.