DE3104849C2

DE3104849C2 - Quarzoszillator

Info

Publication number: DE3104849C2
Application number: DE3104849A
Authority: DE
Inventors: Klaus 2000 Hamburg Kröner
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1981-02-11
Filing date: 1981-02-11
Publication date: 1985-04-18
Also published as: GB2092852B; DE3104849A1; US4518933A; JPS57152203A; FR2499785A1; GB2092852A; JPS6347281B2; FR2499785B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Quarzoszillator mit zwei Transistoren, deren Basisanschlüssen jeweils die Kollektorspannung des anderen Transistors zugeführt wird, wobei in dem Emitterzweig des einen Transistors ein Zweipol mit einem Schwingquarz geschaltet ist. Die Kollektorspannung wird über jeweils einen Halbleiterübergang zugeführt. Wenn die Versorgungsspannung genügend niedrig ist, ist die Oszillatorfrequenz von Sättigungserscheinungen der Transistoren weitgehend unabhängig. Für den Anschluß einen Quarzes ist bei Ausführung in integrierter Schaltungstechnik nur ein zusätzlicher äußerer Anschluß erforderlich.

Description

Die Erfindung betrifft einen Quarzoszillator nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein solcher Quarzoszillator ist aus der US-PS 24 491 bekannt. Dabei sind die Emitter der beiden Transistoren über je eine Gleichstromquelle mit Masse verbunden und über den Zweipol mit dem Schwingquarz miteinander verbunden. Alle Transistoren sind dabei vom gleichen Leitfähigkeitstyp, so daß die Schaltung grundsätzlich in integrierter Schaltungstechnik ausgeführt werden kann. Für den Anschluß des Zweipols mit dem Quarz sind jedoch zwei Anschlüsse erforderlich.

Ähnliche Quarzoszillatoren sind aus der DE-OS 17 374, insbesondere Fig. 1, und dem Buch von Tietze/Schenk »Halbleiter Schaltungstechnik, Springer Verlag. Berlin, 1971, Seiten 371.372 bekannt. Allerdings sind bei diesen Quarzoszillatoren die Kollektoren der Transistoren nicht über einen Halbleiterübergang mit der Basis des jeweils anderen Transistors verbunden.

Darüber hinaus ist aus der Zeitschrift »Fiinkschau« 1980, Heft 20 ein Quarzoszillator bekannt, der zwei Transistoren entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps enthält mit je einer Kollektor- und einer Emitterimpedanz, deren Basisanschlüsse direkt an die Kollektorzweige des jeweils anderen Transistors angeschlossen sind, wobei der Zweipol mit dem Quarz dem einen Emitterwiderstand parallel geschaltet ist Weil die Transistoren den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp haben, ist diese Schaltung aber kaum in integrierter Schaltungslech-

nik ausführbar. Außerdem besteht dabei die Gefahr, daß die Kollektor-Basis-Diode wenigstens des einen Transistors leitend wird und dieser in die Sättigung gerät. Der Abbau der damit verbundenen Ladungsträger im Transistor hat jedoch Verzögerungen zur Folge, die dazu führen, daß zumindest bei Frequenzen von 5 MHz und' mehr die Oszillatorfrequenz nicht mehr allein vom Quarz bestimmt wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung zu schaffen, bei der Transistoren des gleichen Leitfähigkeitstyps verwendet werden können und deren aktive und passive Elemente — mit Ausnahme des Zweipols mit dem Schwingquarz in integrierter Schaltungstechnik ausgeführt werden können, wobei für den Anschluß des Zweipols nur ein zusätzlicher äußerer An-Schluß erforderlich sein soll und die Oszillatorfrequenz von Sättigungserscheiniyigen weitgehend unbeeinflußt bleibt Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Quarzoszillator der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Maßnahmen gelöst

Dabei ist die Schleifenverstärkung bei allen Frequenzen mit Ausnahme der Lastresonanzfrequenz kleiner als 1, weil sie im wesentlichen nur von den Kollektor- und Emitterimpedanzen bestimmt wird. Durch die Parallelschaltung des Zweipols zur Emitterimpedanz des einen Transistors wird dessen Verstärkung bei der Lastresonanzfrequenz so erhöht, daß die Schleifenverstärkung, die dem Produkt der Verstärkungeil der beiden Transistoren entspricht, für diese Frequenz gro3er wird als 1.

Die Oszillatorschaltung schwingt daher auf der i.astresonanzfrequenz. Wenn die Versorgungsspannung genügend niedrig gewählt wird, ist gewährleistet, daß die Kollektor-Basis-Diode jedes Transistors der Schaltung in jeder Phase der Oszillatorschwingung gesperrt bleibt.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das Verhältnis zwischen KoUektorimpedanz und Emitterimpedariz für beide Transistoren gleich ist und daß die Kollektorelektroden dir beiden Transistoren über jeweils die gleiche Zahl von Halbleiterübergängen mit der

so Basis des jeweils anderen Transistors gekoppelt sind, wobei die Halbleiterübergänge vorzugsweise als Emitterfolger ausgebildet sind. Dabei ergeben sich an den beiden Ausgängen der Emitterfolger dieselben Gleichspannungen, so daß damit eine nachfolgende Stufe mil symmetrischem Eingang angesteuert werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Schaltung umfaßt einen Transistor 1, dessen Emitter über einen Widerstand 3 von 1 kOhm mit Masse verbunden ist. Der Kollektor ist über einen Widerstand 4 von 500 0hm mit einer positiven Versorgungsspannung verbunden und außerdem an die Basis eines Transistors 5 angeschlossen, dessen Emitter mit der Basis eines Transistors 2 verbunden ist und dessen Kollckior ebenfalls an die positive Versorgungsspannung angeschlossen ist.

Der Emitter des Transistors 2 ist über einen Widerstand 6 von ebenfalls 1 kOhm mit Masse verbunden.

dem ein Kondensator 7 von 2,pF parallel geschaltet ist, der einen Abfalf der Schleifenverstärkung bei Frequenzen im Bereich der Oszillatorfrequenz verhindern solL Er kann gegebenenfalls entfallen, wenn die Abnahme der Verstärkung der Transistoren bei der Oszillatorfrequenz gering ist. Der Kollektor des Transistors 2 ist über einen Widerstand 8 von ebenfalls 500 Ohm mit der positiven Versorgungsspannung verbunden und an die Basis eines Transistors 9 angeschlossen, dessen Emitter mit der Basis des Transistors 1 verbunden ist und dessen Kollektor ebenfalls an die positive Versorgungsspannung angeschlossen ist AUe Transistoren sind vom gleichen Leitfähigkeitstyp (npn).

Die positive Versorgungsipannung wird vom Emitter eines als Emitterfolger geschalteten Transistors 13 geliefert, dessen Kollektor an em noch positiveres Gleichspannungspotential Ua. z.B. +10V, angeschlossen ist und über einen Widerstand 14 mit einem aus sechs in Durchlaßrichtung und in Serie geschalteten Dioden bestehenden Vorspannungserzeuger 15 verbunden ist; die Dioden können dabei durch je einen Transistor gebildet werden, dessen Basis mit seinem Kollektor verbunden ist. Das Potential am Verbindungspunkt des Widerstandes 14 mit dem Vorspannungserzeuger 15, an dem die Basis des Transistors angeschlossen ist beträgt das Sechsfache der Basis-Emiiter-Spannung Übe eines in Durchlaßrichtung geschalteten Transistors. Am Emitter des Transistors 13 ist das Potential um die Basis-Emitlcr-Vorspannung dieses Transistors niedriger, d. h, daß die Versorgungsspannung der Oszillatorschaltung das Fünffache der Basis-Emitter-Spannung eines Transistors beträgt also zwischen 3 und 4 V liegt

Bei der angegebenen Dimensionierung beträgt die Kollckiorglcichspannung der Transistoren 1 und2 4Ui» und das Emitterpotential der Emiterfolger 5 und 9—35 und damit auch das Basispotential der Transistoren 1 und 2 — Zuhv. Dem Emitterwidersand 3 des Transistors 1 ist ein Zweipol parallel geschaltet, der aus der Serienschaltung eines Kondensators 10 von 22 pF, der ggf. auch entfallen kann, und eines Schwingquarzes 11 für I 3.8 MHz besieht. Der eine Anschluß des Zweipols ist mit Masse verbunden und der andere Anschluß mit einer Klemme 12, die direkt mit dem Emitter des Transistors 1 verbunden ist.

Bei allen Frequenzen mit Ausnahme der Lastresonan/frcquen^ des Schwingquarzes hängt die Verstärkung der beiden Transistoren 1 und 2 (die Verstärkung der Emitterfolger 5,9 ist 1) praktisch ausschließlich von den Emitter-Widerständen 3, 6 und den Kollektor-Widerständen 4, 8 ab. Sie liegt bei der angegebenen Bemessung bei 0,5, so daß sich eine Schleifenverstärkung von 0,25 ergibt, was bedeutet, daß die Schaltung auf diesen Frequenzen nicht schwingen kann. Bei der Lastresonanzfrequenz bildet der Zweipol 10,11 jedoch eine Impedanz, die wesentlich kleiner ist als der Emitter-Widerstand 3 des Transistors 1, so daß dessen Verstärkung bei dieser Frequenz wesentlich höher ist. Wenn der Serien-Widerstand des Schwingquarzes 11 genügend klein ist (im angegebenen Beispiel bei 100 Ohm oder weniger), wird die Schlcifenverstärkung größer als 1, so daß die Schaltung auf der Lastresonanzfrequenz schwingt. Die Oszillatorspannung kann zwischen den Emittern der als Emitterfolger geschalteten Transistoren 5 und 9 abgenommen werden.

Die Amplitude der Oszillatorschwingung am Kollektor des Transistors 1 wird höchstens gleich dem Gleichspiinnungsabfall am Wideband 4, der bei der angegebenen Größe der Versorgungsspannung gleich der Basis-Einitter-Spannung eines Transistors ist. In dem in bezug auf die Sättigung kritischen Moment der Oszillatorschwingung, wenn nämlich das Kollektorpotential des Transistors 1 seinen niedrigsten Wert hat (3ute), beträgt das Kollektorpotcntial des Transistors (2) 4.5Uj*. und das Basispotential des Transistors (1) 3J5ubc so daß das Basispotential nur um die Hälfte einer Basis-Emitter-Vorspannung positiver ist als das Kollektorpoteniial, was aber noch nicht ausreicht um die Kollektor-Basis-Diode des Transistors leitend zu machen und diesen in die Sättigung zu steuern. Die Oszillatorfrequenz wird also von Sättigungserscheinungen nicht beeinflußt

Grundsätzlich kann der Kollektor jedes der beiden Transistoren 1, 2 Ober mehr als einen Emitterfolger mit der Basis des jeweils anderen Transistors verbunden sein. Dadurch steigt zwar der Aufwand, jedoch sind dabei höhere Versorgungsspannungen und damit höhere Oszillatoramplituden möglich, ohne daß einer der beiden Transistoren 1, 2 in die Sättigung gerät Auch ist es nicht erforderlich, daß das Verhältnis d«·-- Kollektor-Widerstände zu den Emitter-Widerstände» für beide Transistoren gleich ist und 0,5 entspricht. Wichtig ist jedoch, daß diese Widerstände so bemessen sind, daß (bei abgetrenntem Zweipol 10, U) die Schleifenverstärkung stets kleiner als 1 ist.

Wenn üie Verstärkungen der beiden Transistoren 1 und 2 gleich gewählt werden und wenn ihre Kollektoren mit der Basis des jeweils anderen Transistors über die gleiche Anzahl von Emitterfolgern verbunden sind, wird das Leitendwerden der Kollektor-Basis-Diode des Transistors 1 bzw. 2 unterbunden, wenn die Beziehung gilt

Dabei ist k der Quotient zwischen dem Emitter- und dem Kollektor-Widerstand eines Transistors, also das Verhältnis z. B. des Widerstandes 3 zum Widerstand 4, η die Anzahl der Emitterfolger, über die der Kollektor eines Transistors mit der Basis des anderen Transistors gekoppelt ist und m eine Zahl, die angibt, um wievielmal die Versorgungsspannung der Oszillatorschaltung höher ist als die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors. Dabei ist vorausgesetzt, daß die Basis-Emitter-Spannungen aller Transistoren der Oszillatorscnaitung gleich sind und daß die Kollektor-Basis-Strecke eines Transistors leitend wird, wenn das Basispotential um die Basis-Emitter-Spannung positiver ist als das Kollektorpotential (bei npn-Transistoren). Wird die Kollektor-Basis-Strecke schon bei niedrigeren Werten leitend, muß die Versorgungsspannung noch kleiner sein. Im umgekehrten Fall darf sie größer sein.

Wie durch den gestrichelten Block 16 angedeutet, kann die Oszillatorschaltung in integrierter Schaltungstechnik ausgeführt werden. Für den AnschluO des Zwei ■ pols mit dem Schwingquarz 11 ist nur eiii zusätzlicher äußerer Anschluß 12 erforderlich.

In dem Ausführungsbeispiel wurde als Halbleiterübergang die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors verwendet. Stattdessen könnte aber auch ein anderer (p-n- oder n-p-) Halbleiterübergang verwendet wurden, z. B. eine Halbleiterdiode.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Quarzoszillator mit zwei Transistoren, deren Kollektoren über je eine KoUektorimpedanz an einen Pol einer Gleichspannungsquelle angeschlossen und über wenigstens je einen Halbleiterübergang mit der Basis des jeweils anderen Transistors gekoppelt sind, wobei die Emitter des ersten und des zweiten Transistors über je eine gleichstromdurchlässige Emitterimpedanz mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden sind und das Produkt der Emitterimpedanzen größer ist als das Produkt der Kollektorimpedanzen, und wobei an den Emitter des einen Transistors ein ZweipoJ mit einem Schwingquarz angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweipol (10, 11) der Emitterimpedanz (3) des einen Transistors (1) parallel geschaltet ist und daß die Versorgungsspannung so niedrig gewählt ist, daß die Kollektor-Basis-Dioden des ersten (1) und des zweiten Transistors (2) stets gesperrt bleiben.

2. Quarzoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Kollektorimpedanz (4 bzw. 8) und Emitterimpedanz (3 bzw. 6) für beide Transistoren (1 bzw. 2) gleich ist und daß die Kollektorelektroden der beiden Transistoren (1, 2) über jeweils die gleiche Zahl von Emitterfolgern (5, 9) mit der Basis des jeweils anderen Transistors gekoppelt sind.

3. Quarzoszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Enr.tterinK idanz (3, 6) doppelt so groß ist wie die KoUektorimpedanz (4,8), daß die beiden Transistoren über je ein η Emitterfolger (5, 9) miteinander gekoppelt sind und daß die Versorgungsspannung fünfmal so groß ist wie die Basis-Emitter-Vorspannung eines leitenden Transistors.

4. Quarzoszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung von einem Emitterfolger (13) geliefert wird, dessen Basis die Spannung von sechs mit gleicher Durchlaßrichtung in Serie geschalteten, in Flußrichtung von einem Gleichstrom durchflossenen Dioden (15) zugeführt ist.