DE3633059C1

DE3633059C1 - Oscillator circuit with crystal

Info

Publication number: DE3633059C1
Application number: DE19863633059
Authority: DE
Inventors: Siegfried Lechler
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1986-09-29
Filing date: 1986-09-29
Publication date: 1988-03-03

Abstract

The invention relates to a controlled-frequency oscillator circuit with crystal, utilising a crystal harmonic and using a feedback loop with two integrated circuits, the frequency being determined by the series circuit of the crystal and a capacitor, and is characterised in that a feedback network is connected into the feedback loop, that the junction of crystal and capacitor is connected to earth via a first serial RC element, and that the resistance of the first serial RC element is implemented by a controllable transistor, particularly a field-effect transistor (Fig. 1). <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Oszillatorschaltung gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.The invention relates to an oscillator circuit according to the preamble Claim 1.

Eine solche Anordnung ist "Motorola Semiconductor Products Inc. Applica tion Note AN-417" zu entnehmen, sowie den Aufsätzen von Beerbaum "Two invertes and a crystal assure oscillator start" in Electronics 1976, Nr. 24, S. 115, von Harrison "survey of crystal oscillators" in ham radio, 1976, Nr. 3, S. 12, 13 und in dem Kurzbericht "Quarzgeneratorschaltung bis 100 MHz" in radio fernsehen elektronik 1985, Nr. 6, S. 403.Such an arrangement is "Motorola Semiconductor Products Inc. Applica note AN-417 "as well as the essays by Beerbaum" Two invertes and a crystal assure oscillator start "in Electronics 1976, No. 24, P. 115, by Harrison "survey of crystal oscillators" in ham radio, 1976, No. 3, p. 12, 13 and in the short report "Quartz generator circuit to 100 MHz "in radio television electronics 1985, No. 6, p. 403.

In digitalen Geräten verwendet man vorzugsweise solche Oszillator-Anord nungen mit digitalen Gattern, weil der notwendige Spannungspegel am Aus gang der Anordnung schon in der richtigen Form und Amplitude zur Verfü gung steht. Die verwendeten digitalen Gatter sind dabei in C-MOS- oder ECL-Technik ausgeführt.Such oscillator arrangements are preferably used in digital devices with digital gates because the necessary voltage level at the off already available in the correct shape and amplitude is available. The digital gates used are in C-MOS or ECL technology implemented.

Im mittleren Frequenzbereich um 50 MHz werden häufig integrierte Schalt kreise verwendet, die als schnelle TTL-Technik (FAST-TTL) bezeichnet werden. Infolge der störenden Beeinflussung durch Totzeiten bei höheren Frequenzen sind herkömmliche Oszillatorschaltungen für die Verwendung bei spielsweise dieser schnellen FAST-TTL-Schaltkreise nicht geeignet.Integrated circuits are often used in the medium frequency range around 50 MHz circles used, which is called fast TTL technology (FAST-TTL) will. As a result of the disruptive influence of dead times at higher ones Frequencies are conventional oscillator circuits for use with for example, these fast FAST-TTL circuits are not suitable.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb, eine Oszillatorschal tung der eingangs genannten Art anzugeben, die auch unter Verwendung von schnellen, Totzeiten aufweisenden, z. B. FAST-TTL-Schaltkreisen, zu arbeiten in der Lage ist und dabei Betriebsfrequenzen ermöglicht, deren Werte nahe der Schaltkreis-Grenzfrequenz liegen.The object of the present invention was therefore an oscillator scarf tion of the type mentioned at the beginning, which can also be used using fast, having dead times, e.g. B. FAST-TTL circuits to work capable and thereby enables operating frequencies whose values are close the circuit cutoff frequency.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.This problem is solved by the characteristic features of Claim 1.

Optimale Ausgestaltungen ergeben sich durch die Unteransprüche. Optimal designs result from the subclaims.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist die Vorteile auf, daß sie auf nur einer, relativ hohen Frequenz zu schwingen in der Lage ist, wobei diese Frequenz veränderbar (ziehbar) ist. Trotz der hohen Oszillatorfrequenz wirken sich die Totzeiten der integrierten, schnellen Schaltkreise, z. B. der FAST-TTL-Gatter, nicht schädlich aus (Totzeiten bewirken bekanntlich pe riodisch sich wiederholende Phasensprünge, was mehrere Nulldurchgänge des Oszillatorfrequenzganges (offene Schleife) und damit verbunden mehrere Schwingstellen zur Folge hat).The circuit arrangement according to the invention has the advantages that it is able to vibrate at only one, relatively high frequency, whereby this frequency can be changed (dragged). Despite the high oscillator frequency affect the dead times of the integrated, fast circuits, e.g. B. the FAST TTL gate, not harmful (dead times are known to cause pe periodically repeating phase jumps, which means several zero crossings of the Oscillator frequency response (open loop) and several connected with it Causes vibration points).

Es folgt nun die Beschreibung der Erfindung anhand der Figuren. DieThere now follows the description of the invention with reference to the figures. The

Fig. 1 zeigt das Schaltungsprinzip der Oszillatorschaltung. In Fig. 1 shows the circuit principle of the oscillator circuit. In

Fig. 2 ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel in detaillierter Form dargestellt. Die Fig. 2 shows an advantageous embodiment in detailed form. The

Fig. 3 schließlich stellt einige Frequenzgänge der Amplitude und der Phase für die Anordnungen nach Fig. 1 und 2 dar. Fig 3 finally. Provides some frequency characteristics of amplitude and phase for the arrangements according to FIG represents. 1 and 2.

In Fig. 1 ist links das Ersatzschaltbild eines Quarzes dargestellt, nämlich die Serienschaltung eines Widerstandes Rq, eines Kondensators Cq und ei ner Induktivität Lq, welche Serienschaltung mit einem weiteren Konden sator Cp geschuntet ist. In Reihe dazu liegt der Koppelkondensator Ck, dem schließlich zwei IC -Schaltkreise, als Inverter ausgebildet, folgen. Der Ausgang des letzten Schaltkreises ist über ein Rückkoppelnetzwerk N zum Quarz zu rückgeführt.In Fig. 1, the equivalent circuit diagram of a crystal is shown on the left, namely the series circuit of a resistor Rq , a capacitor Cq and an inductor Lq , which series circuit is switched with another capacitor Cp . In series with this is the coupling capacitor Ck , which is finally followed by two IC circuits, designed as inverters. The output of the last circuit is fed back to the quartz via a feedback network N.

Infolge der Niederohmigkeit der FAST-TTL-Gatter wird der Quarz nur schwach angekoppelt, d. h. bei Quarzwerten von Cp ungefähr 5 pf, Rq un gefähr 50 Ohm, Lq ungefähr 10 mH, Cq ungefähr 0,002 pF soll der Kop pelkondensator Ck ungefähr 10 pF aufweisen. Durch die Reihenschaltung des Quarzes mit dem Koppelkondensator Ck wird die Schwingfrequenz leicht nach oben gezogen. Erfindungsgemäß wird dies durch ein erstes se rielles RC-Glied Cs, Rs, welches vom Verbindungspunkt des Quarzes mit dem Koppelkondensator Ck nach Masse (als T-Glied) geschaltet ist, aus geglichen. Durch den Widerstand Rs dieses seriellen RC-Gliedes läßt sich die Schwingfrequenz um einen gewissen Betrag auf einen Wert, der höher oder niedriger ist als die Quarzfrequenz, steuern.Due to the low impedance of the FAST-TTL gates, the quartz is only weakly coupled, ie at quartz values of Cp approximately 5 pf, Rq approximately 50 ohms, Lq approximately 10 mH, Cq approximately 0.002 pF, the coupling capacitor Ck should have approximately 10 pF. The oscillation frequency is slightly raised by the series connection of the quartz with the coupling capacitor Ck . According to the invention, this is compensated for by a first serial RC element Cs, Rs , which is connected from the point of connection of the quartz to the coupling capacitor Ck to ground (as a T element). Through the resistance Rs of this serial RC element, the oscillation frequency can be controlled by a certain amount to a value that is higher or lower than the quartz frequency.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, weisen die Frequenzgänge G 1, P 1 der offe nen Schleife Hochpaßcharakter auf, was positiver Phasenüberschuß bedeu tet. (Die Grenzfrequenzen der beiden IC-Schaltkreise sind nicht berücksich tigt.) Die beiden Gatter weisen zusammen infolge der Totzeiten je nach Frequenz eine negative Phase von etwa 30° bis 70° auf, die positive Phase der Quarzschaltung liegt etwa im selben Bereich, so daß bei der komplet ten Oszillatorschaltung die Phase etwa ausgeglichen ist und zur ersten, der gewollten Schwingstelle fo führt.As can be seen from FIG. 3, the frequency responses G 1 , P 1 of the open loop have a high-pass character, which means positive phase excess. (The cut-off frequencies of the two IC circuits are not taken into account.) The two gates together have a negative phase of approximately 30 ° to 70 °, depending on the frequency, due to the dead times, the positive phase of the quartz circuit is approximately in the same range so that in the case of the complete oscillator circuit, the phase is approximately balanced and leads to the first, the desired oscillation point fo .

Aus Fig. 3 ist außerdem ersichtlich, daß infolge des aufgrund der hohen Quarzgüte steilen Phasensprunges die Totzeit relativ geringen Einfluß auf die Durchtrittsfrequenz fo hat, daß aber der Oszillator eine zweite Schwingstelle f 1 und eventuell weitere Schwingstellen f 2 bekommt. V ist der Frequenzgang der Verstärkung unter Berücksichtigung der Grenzfre quenzen der beiden Gatter. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird durch ein in die Schleife eingefügtes PID-Glied, welches aus einem parallelen R 4, C 1 und einem zweiten seriellen RC-Glied R 5, C 2 besteht und mittels der beiden IC-Gatter IC 1, IC 2 von der frequenzbestimmenden Quarzschaltung entkoppelt ist, im kritischen Bereich des zweiten Null durchganges f 1 die Phase angehoben, so daß der zweite Nulldurchgang ei nen höheren Wert f 1′ annimmt und in den Bereich einer Verstärkung von kleiner 1 fällt. Das PID-Glied kann zusätzlich so dimensioniert werden, daß es in dem genannten kritischen Bereich eine Verstärkungsreduzierung be wirkt (Kurve G 2).From Fig. 3 it can also be seen that due to the steep phase jump due to the high quartz quality, the dead time has a relatively small influence on the crossover frequency fo , but that the oscillator receives a second oscillation point f 1 and possibly further oscillation points f 2 . V is the frequency response of the gain taking into account the limit frequencies of the two gates. In an advantageous embodiment of the invention, a PID element inserted into the loop, which consists of a parallel R 4 , C 1 and a second serial RC element R 5 , C 2 and by means of the two IC gates IC 1 , IC 2 is decoupled from the frequency-determining quartz circuit, the phase is raised in the critical region of the second zero crossing f 1 , so that the second zero crossing assumes a higher value f 1 ' and falls within the range of a gain of less than 1. The PID element can also be dimensioned so that it has a gain reduction in the critical area mentioned (curve G 2 ).

Die Fig. 2 zeigt dieses Ausführungsbeispiel in detaillierter Form, wobei das rückkoppelnde Netzwerk N gemäß Fig. 1 zwischen die beiden Gatter geschaltet ist. Das Netzwerk, hier das PID-Glied, ist eine 1/2 T-Schaltung, wobei der Längszweig aus dem parallelen RC-Glied R 4, C 1 und der Quer zweig aus dem seriellen RC-Glied R 5, C 2 besteht. Die beiden Gatter sind jeweils mit einem Widerstand R 1, R 2 gegengekoppelt. FIG. 2 shows this exemplary embodiment in a detailed form, the feedback network N according to FIG. 1 being connected between the two gates. The network, here the PID element, is a 1/2 T circuit, the longitudinal branch consisting of the parallel RC element R 4 , C 1 and the cross branch consisting of the serial RC element R 5 , C 2 . The two gates are each fed back with a resistor R 1 , R 2 .

Als Beispiel für eine praktische Schaltungsrealisierung ergibt sich folgende Dimensionierung:
IC 1, IC 2 54 F 04, Cs = 27 pF, Rs = 200 Ω Ck = 10 pF, R 1 = 1,2 k Ω, R 2 = 3 k Ω, R 4 = 2 k Ω, R 5 = 200 Ω,
C 1 = 8 pF und C 2 = 20 pF. The following dimensioning is an example of a practical circuit implementation:
IC 1 , IC 2 54 F 04, Cs = 27 pF, Rs = 200 Ω Ck = 10 pF, R 1 = 1.2 k Ω, R 2 = 3 k Ω, R 4 = 2 k Ω, R 5 = 200 Ω,
C 1 = 8 pF and C 2 = 20 pF.

In vorteilhafter Weise ist der Widerstand Rs des ersten seriellen RC- Glie des durch einen steuerbaren Transistor, insbesondere Feldeffekt-Transistor realisiert.The resistance Rs of the first serial RC - circuit is advantageously realized by a controllable transistor, in particular a field-effect transistor.

Claims

1. Frequency-controllable oscillator circuit with quartz using a quartz harmonic and using a feedback loop with two integrated circuits, the frequency being determined by the series connection of the quartz with a capacitor, characterized in that
that a feedback network (N) is looped into the feedback loop,
that the connection point of quartz (Q) and capacitor (Ck) is connected to ground via a first serial RC element (Rs, Cs) and
that the resistance (Rs) of the first serial RC element is realized by a controllable transistor, in particular a field-effect transistor ( FIG. 1).

2. Oscillator circuit according to claim 1, characterized in that at least one of the two IC amplifier input and output is connected by means of a resistor (R 1 , R 2 ) ( Fig. 2).

3. Oscillator circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the feedback network (N) contains a parallel RC element (R 4 , C 1 ) ( Fig. 2).

4. Oscillator circuit according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the feedback network (N) is a PID element.

5. Oscillator circuit according to claim 3 or 4, characterized in that the feedback network (N) is implemented as a 1/2-T circuit, the parallel RC element (R 4 , C 1 ) of the series branch and another serial RC - Link (R 5 , C 2 ) are the transverse branch and the starting point of the parallel RC link (R 4 , C 1 ) is connected to ground via the further serial RC link (R 5 , C 2 ) ( Fig. 2) .