DE3412866A1

DE3412866A1 - Quarzoszillator

Info

Publication number: DE3412866A1
Application number: DE19843412866
Authority: DE
Inventors: Roger Meudon Bellevue Charbonnier
Original assignee: Adret Electronique SA
Current assignee: Adret Electronique SA
Priority date: 1983-04-20
Filing date: 1984-04-05
Publication date: 1984-10-25
Also published as: DE3412866C2; US4536721A; GB2139836B; GB8407517D0; FR2544929B1; GB2139836A; CH656032A5; FR2544929A1

Description

Quarzoszillator

Die Erfindung betrifft einen Quarzoszillator mit einer aktiven Kopplungsstufe zum Erregen eines Quarzkristalls in Serienresonanz proportional zu einer Rückkopplungsspannung, und mit einem auf die Kopplungsstufe folgenden Transformator zur Stromverstärkung, dessen Sekundärwicklung einen Ausgangsverstärker ansteuert.

Derartige Quarzoszillatoren werden häufig als frequenznormal verwendet, etwa in der Nachrichtentechnik und der Elektronik.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Quarzoszillator so weiterzubilden, daß er eine große Kurzzeit- und Langzeitstabilität aufweist sowie eine große spektrale Reinheit hat.

Die Lösung dieser Aufgabe ist gegeben durch einen an die Sekundärwicklung angeschlossenen Begrenzer-Verstärker, auf den ein Bandpaßfilter folgt, dessen Ausgangssignal als Rückkopplungsspannung für die Kopplungsstufe verwendet wird. Mit einer derartigen Schaltung werden die Stör- und Rauschsignalanteile, die durch die Bauteile der Schaltung hervorgerufen werden, in größtmöglichem Maß reduziert. Dabei ist es nicht erforderlich, den Quarzkristall mit hoher Verlustleistung zu betreiben, denn die Quarzbelastung kann auf einem Wert gehalten werden, der die Langzeitstabilität nicht beeinträchtigt.

Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer bevorzugten Ausfuhrungsform eines Quarzoszillators, und

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild desselben.

Bei der Schaltung nach Fig. 1 ist ein Quarzkristall 1 vorgesehen, der in Serienresonanz betrieben wird und dessen Frequenz mit einem Stellkondensator 10 in gewissen Grenzen einstellbar ist. Anstatt der in der Zeichnung dargestellten einzigen Kapazität können auch ein oder mehrere feste und einstellbare Kondensatoren verwendet sein oder eine oder mehrere Kapazitätsvariationsdioden, mit denen sich die Schwingfrequenz elektrisch regeln läßt.

Die mit dem Quarzkristall verbundene aktive Kopplungsstufe 2 bildet einen bipolaren Transistor 20, dessen am Emitter vorhandene Wechselspannungskomponente der Wechselspannung an der Basis folgt.

Der Schwingstrom des Quarzkristalls durchläuft die Emitter-Kollektorstrecke des Transistors 20 und fließt durch die Primärwicklung eines Transformators 3. Der Emitter des Transistors 20 wird gleichstrommäßig über eine Konstantstromquelle 21 gespeist, deren Innenwiderstand groß ist gegen den dynamischen Widerstand des Quarzkristalls.

Die Sekundärwicklung des Transformators 3 ist über einen Widerstand 40 mit dem Emitter eines in Basisschaltung betriebenen bipolaren Transistors 41 verbunden. Die Wechselstromkomponente des Kollektorstromes des Transistors 41 steuert einen Ausgangsverstärker 42 an. Am Ausgang desselben tritt ein Bezugsfrequenzsignal von großer spektraler Reinheit auf. Der Eingangswiderstand der aus den Transistoren 41 und 42 gebildeten Schaltung hat einen vorgegebenen Eingangswiderstand.

An die Sekundärwicklung des Transformators 3 ist ferner ein symmetrischer Begrenzer-Verstärker 5 angeschaltet. Er liefert an seinem Ausgang eine trapezförmige Wechselspannung, deren Begrenzungsspannung zwischen beiden Werten geregelt ist. Dieser Begrenzer-Verstärker ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Differenzverstärker mit einem Paar Transistoren 50 und 51. Der die beiden Emitter dieser Transistoren verbindende Widerstand 52 ist so dimensioniert, daß die beiden Transistoren abwechselnd gesperrt werden, daß also eine Strombegrenzungswirkung des KollektorStromes des Transistors 50 auftritt.

Der Begrenzer-Verstärker 5 treibt ein Bandpaßfilter 6, dessen Mittenfrequenz auf die Schwingfrequenz des Quarzkristalls abgestimmt ist und das eine geringe Spannungsüberhöhung aufweist. Dieses Bandpaßfilter bildet eine Wien-Brücke mit den Kondensatoren 60 und 61 und den Widerständen 62 und 63. Der Ausgang des Bandpaßfilters steuert die Kopplungsstufe 2 an.

Die Speisespannungen der verschiedenen aktiven Bauteile sind in üblicher Weise erzeugt und gegenüber Schwankungen der Speisespannungsquelle stabilisiert.

Die Gesamtheit der Bauteile 1, 2, 3, 5 und 6 ist in einen temperaturgeregelten Behälter 7 eingebaut, der die Temperatur auf einem Wert konstant hält, bei dem die Temperaturabhängigkeit des Quarzkristalls einen minimalen Wert hat.

Die Wirkungsweise des Quarzoszillators ist im folgenden anhand des Blockschaltbildes von Fig. 2 beschrieben.

Durch die Kopplungsstufe 2 wird der Quarzkristall in Serienresonanz erregt, indem eine Rückkopplungsspannung angelegt wird, die von der Sekundärwicklung des Transformators 3 abgenommen, durch den Begrenzer-Verstärker 5 verstärkt und durch das

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Bandpaßfilter 6 gefiltert worden ist. Die von der Kopplungsstufe 2 an den Quarz gelangende Wechselspannung ist gleich oder etwas kleiner als die Ausgangsspannung des Bandpaßfilters 6. Die Kopplungsstufe 2 speist die Primärwicklung des Transformators 3 mit einem Schwingstrom, der im wesentlichen gleich dem Strom durch den Quarzkristall ist. Der Transformator wirkt dabei als Spannungsteiler und Stromverstärker. -Der Wechselstrom, der durch den Transistor 41 fließt, ist dabei deutlich höher als der Strom durch den Quarzkristall, in Praxis etwa 2 bis 4mal höher. Daraus ergibt sich, daß der Beitrag des Transistors 41 zu dem Rauschanteil der Schaltung minimiert ist. Da außerdem der Schwingstrom des Quarzkristalls direkt an den Ausgangsverstärker 42 gelangt, und zwar über den Transistor 20, den als Stromverstärker dienenden Transformator 3 und den Transistor 41, wird durch die Begrenzerschaltung und das Filter keine zusätzliche Rauschspannung in die Schaltung eingeführt.

Der Begrenzer-Verstärker 5, der die Schwingung aufrechterhält, ist im Nebenschluß angeschaltet, so daß dessen eigene Rauschsignale außerhalb des Durchlaßfrequenzbandes des Quarzkristalls nicht verstärkt wird. Der Verstärkungsfaktor des Transistors 20 ist außerhalb dieses Bereichs sehr viel kleiner als 1 und zwar aufgrund der hohen dynamischen Impedanz der Konstantstromquelle 21 oder eines entsprechend hohen Widerstandes.

Die Schaltung ergibt ein Ausgangssignal mit hoher spektraler Reinheit und mit einer Kurzzeitstabilität der Frequenz, die nahe bei derjenigen des Quarzkristalls selbst liegt. Diese Stabilität wird erreicht, ohne daß der Quarzkristall übermäßig belastet wird, was die Langzeitstabilität beeinträchtigen würde. Die Schwingleistung der Schaltung ist vollständig in Grenzen gehalten, da die aktive Kopplungsstufe 2 an die Klemmen des Quarzkristalls eine Wechselspannung legt, die derjenigen an der Basis des Transistors 20 entspricht, also gleich oder etwas kleiner ist als die Ausgangsspannung des Bandpaßfilters 6,

welche wiederum durch das begrenzte Signal des Begrenzer-Verstärkers 5 auf einer bestimmten Höhe gehalten wird.

Die Eigenschaften der Oszillatorschaltung lassen sich durch geeignete Wahl der Parameter optimieren. So sollte der Stromverstärkungsfaktor des Transistors 20 in Emitterschaltung groß sein, um das Stromverteilungsrauschen zu minimieren. Die Impedanz der Sekundärwicklung des Transformators 3 sollte groß gegenüber dem Widerstand 4 0 sein, um dessen Einfluß auf die Rauschspannung klein zu halten oder auszuschalten. Die Impedanz des Bandpaßfilters 6 sollte so klein wie möglich sein, und der Quarzkristall sollte eine hohe Spannungsüberhöhung haben und einen Serienwiderstand bei Resonanz, der größer ist als der Kehrwert der Eingangsadmittanz des Transistors 20 in Basisschaltung, um die Spannungsüberhöhung des Quarzkristalls unter Belastung nicht zu verringern.

Als Beispiel sei angegeben, daß der Quarzoszillator bei einer Schwingleistung des Quarzkristalls von 25 Mikrowatt ein Ausgangssignal ergibt, dessen parasitäres Phasenrauschen typischerweise minus 164 dBc bei 1 KHz der Hauptfrequenz ist, in diesem Falle 10 MHz.

Die bipolaren Transistoren 20, 41, 50 und 51 können auch von anderem Leitfähigkeitstyp sein als dargestellt oder auch Feldeffekttransistoren bilden. Das Bandpaßfilter 6 kann auch eine Filterschaltung bilden, welche wesentlich selektiver ist als die Wien-Brücke, besonders bei Verwendung von Quarzkristallen, welche parasitäre Schwingungen erzeugen in der Nähe der Betriebsfrequenz oder bei Oberschwingungsquarzen.

Claims

45-4-7

Patentansprüche :

Quarzoszillator mit einer aktiven Kapplungsstufe (2) zum Erregen eines Quarzkristalls (1) in Serienresonanz proportional zu einer Rückkopplungsspannung, und mit einem auf die Kopplungsstufe folgenden Transformator (3) zur Stromverstärkung, dessen Sekundärwicklung einen Ausgangsverstärker (4) ansteuert, gekennzeichnet durch einen an die Sekundärwicklung angeschlossenen Begrenzer-Verstärker (5), auf den ein Bandpaßfilter (6) folgt, dessen Ausgangssignal als Rückkopplungsspannung für die Kopplungsstufe verwendet wird.
2. Quarzoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsstufe einen Transistor (20) umfaßt.
3. Quarzoszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Begrenzer-Verstärker (5) als Differenzverstärker mit zwei Transistoren ausgebildet ist, welche so angesteuert werden, daß sie abwechselnd gesperrt werden.
4. Quarzoszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Bandpaßfilter (6) eine Wien-Brücke (60-63) bildet.