DE3730692C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen der Resonanzfrequenz einer Quarzschaltung und eine Quarzschaltung mit einem großen Frequenzziehbereich gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 4.

Eine solche Quarzschaltung ist bekannt aus Elektronik 1980, Heft 25, S. 77 ff. durch den Aufsatz "Temperaturkompensierter Quarzoszillator mit geringer Verlustleistung" von A. Paulat (Entgegenhaltung (1)).

Quarzschaltungen werden in Filtern oder Oszillatoren eingesetzt, wobei der Quarz zumeist den Längszweig eines Vierpols bildet. In vielen Fällen besteht dabei die Forderung, die Resonanzfrequenz solcher Quarzschaltungen durch zusätzliche Blindelemente zu verändern, wobei häufig ein großer Frequenzziehbereich gefordert ist. Bekannt ist beispielsweise die Verwendung eines Ziehkondensators in Reihenschaltung mit dem Quarz.

Der auf diese Weise erreichbare Ziehbereich ist jedoch insbesondere bei Oberwellenquarzen, die für hohe Resonanzfrequenzen verwendet werden, sehr klein.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Quarzschaltung der eingangs genannten Art anzugeben, die in der Lage sind, mit relativ aufwandsarmen Mitteln einen großen Frequenzziehbereich zu erzielen, insbesondere für Oberwellenquarze für sehr hohe Resonanzfrequenzen.

Diese Aufgabe wurde gelöst durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruches 1 bzw. 4.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Quarzschaltung haben die Vorteile, daß ein großer Frequenzziehbereich ermöglicht wird, insbesondere bei Oberwellenquarzen für sehr hohe Resonanzfrequenzen und mit relativ aufwandsarmen Mitteln. Dies wird erreicht durch die Verwendung eines Transformationsnetzwerkes, welches einen Scheinwiderstand mit konstantem Realteil und veränderbarem Imaginärteil in einen Scheinleitwert mit ebenfalls konstantem Realteil und veränderlichem Imaginärteil zu transformieren in der Lage ist. Aufgrund der entsprechenden Bemessung des Transformationsnetzwerkes ist es möglich, die Resonanzfrequenz der Quarzschaltung sehr stark zu variieren, und zwar durch Parallelschalten eines Ziehkondensators mit mittleren Kapazitätswerten an die Ausgangsklemme des Transformationsnetzwerkes, obwohl die Oberwellenquarze sehr hohe Impedanzen darstellen und daher bei Verwendung eines Ziehkondensators in Reihenschaltung mit dem Quarz besonders kleine Kapazitätswerte erforderlich wären.

Optimale Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die Unteransprüche.

Einer der Gründe für die Kleinheit des Ziehbereichs bei Oberwellenquarzen liegt darin, daß durch die Halterungskapazitäten und die Parallelkapazität des Quarzes sich für Frequenzen ober- oder unterhalb seiner Serienresonanz eine unerwünschte Impedanztransformation des Serienresonanzkreises im Ersatzschaltbild ergibt. Dieses Problem wird durch Maßnahmen des Anspruches 2, 5 bzw. 10 bekämpft, indem die eine Halterungskapazität in die Transformationsschaltung einbezogen und die Parallelkapazität kompensiert wird.

Bei der Beschreibung und Berechnung von Ziehschaltungen für die Serienresonanz eines Quarzes wird zwar im allgemeinen auf die Einschränkung des Ziehbereichs durch die statische Eigenkapazität (vgl. statische Parallelkapazität C₀ in dem Aufsatz "Der Quarz, Aufbau, Wirkungsweise und Eigenschaften" von H. Peschl in Funkschau, 1979, Heft 8, Seiten 451-454, (Entgegenhaltung (2)), eingegangen und als Abhilfe empfohlen, diese Kapazität durch eine parallel zum Quarz liegende Spule zu kompensieren, siehe hierzu Entgegenhaltung (2), Abschnitt "Das Ziehen von Oberwellenquarzen", Ende des 3. Absatzes. Es wird aber nicht erwähnt, daß die von den Einflüssen des Quarzes gegen Masse liegenden Streukapazitäten ebenfalls eine Einschränkung des Ziehbereichs verursachen. So ist z. B. in Bild 6 der Entgegenhaltung (1) zwischen dem Verbindungspunkt des Quarzes mit dem Emitter des Transistors bzw. der Spule L und Masse eine Streukapazität anzusetzen, deren Wert auf etwa 4-8 pF geschätzt wird, wobei zu bedenken ist, daß gerade an diesem Punkt vier mit Streukapazitäten behaftete Bauelemente liegen. Diese Streukapazität verringert den Ziehbereich der Serienresonanz des Quarzes in gleicher Weise wie seine statische Eigenkapazität. Bei Verwendung von Grundwellenquarzen, wie im zitierten Beispiel, ist dieser Einfluß zwar gering und kann in Kauf genommen werden, weshalb bei dieser Schaltung auch auf eine Kompensation der statischen Eigenkapazität verzichtet wurde. Bei Oberwellenquarzen muß der Einfluß jedoch in gleicher Weise berücksichtigt werden. Eine Möglichkeit, diesen Einfluß zu beseitigen, besteht darin, auch diese Kapazität durch eine weitere Spule zu kompensieren. Dies kann dadurch geschehen, daß die Spule zur Streukapazität parallel geschaltet wird (in Bild 6 der Entgegenhaltung (1)), also zwischen den Verbindungspunkt des Quarzes mit dem Emitter des Transistors bzw. der Spule L und Masse).

Geht man jedoch her und verfährt gemäß vorliegendem Patent, indem die Streukapazität zu einem L-Netzwerk ergänzt wird, so erreicht man bei gleichem Aufwand bedeutende Vorteile.

• 1. Das L-Netzwerk transformiert das Quarzersatzschaltbild von einem Serienresonanzkreis in einen Parallelresonanzkreis, so daß der zum Ziehen verwendete Blindwiderstand (L) oder Blindleitwert (C) parallel geschaltet werden kann und wechselstrommäßig mit einem Anschluß an Masse liegt. Bei steuerbaren Blindelementen (Kapazitätsdioden) wird dadurch die Zuführung einer Steuerspannung vereinfacht, da sie an einem sogenannten kalten Anschluß des Blindelements vorgenommen werden kann.
• 2. Die durch das L-Netzwerk bewirkte Transformation des Impedanzniveaus führt dazu, daß sich für das Ziehelement Werte ergeben, die besser oder überhaupt zu realisieren sind, gegenüber einer Reihenschaltung mit dem Quarz. Dies soll folgendes Beispiel zeigen. Ein auf der 15 Harmonischen bei 50 MHz betriebener Oberwellenquarz hat eine Serienkapazität C _q von 0,7 fF (fF = 10⁻¹⁵ F). Die relative Frequenzabweichung beim Ziehen mit einer Serienkapazität C _S ergibt sich aus der Gleichung Δ f/f ≈ C _q/C_s.

Für eine Verstimmung von z. B. 50 kHz erhält man dann den Wert

C _s ≈ 0,7 pF.

Dieser Wert ist auch mit einer Kapazitätsdiode nicht oder nur mit größeren Schwierigkeiten zu realisieren. Demgegenüber ergibt sich bei Anwendung der erfindungsgemäßen Transformationsschaltung beispielsweise mit den folgenden Werten C 1 = 5 pF, L 1 = 2,02 mΩ und Z = 636 Ohm eine erforderliche Parallelziehkapazität C _p

C _p = 1/Z ² ω ² C _s = 35,8 pF.

Deren Realisierung bereitet keinerlei Schwierigkeiten. Das Parallelschalten eines Ziehkondensators zum Schwingquarz in gemäß Bild 11 der Entgegenhaltung (2) auf S. 107 bzw. 453 bewirkt lediglich eine Verschiebung der Antiresonanzstelle (Parallelresonanz) und kann daher nur bei Schaltungen angewendet werden, welche die Parallelresonanz des Quarzes ausnutzen.

Die Erfindung bezieht sich jedoch ausschließlich auf eine Veränderung der Serienresonanz.

Es folgt nun die Beschreibung der Erfindung anhand der Figur. Die Figur stellt ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Quarzschaltung dar. Als transformierendes Netzwerk ist ein L-Glied vorgesehen mit einer Kapazität C 1 im Querzweig, die teilweise oder auch ganz durch die eine, rechte Halterungskapazität C _h gebildet wird, und einer Induktivität L 1 im Längszweig. Es gilt die Dimensionsvorschrift

L 1 = 1/ω _r ² · C 1

mit l _r /2π als Resonanzfrequenz des Quarzes.

Schließt man an den Eingang dieses Netzwerkes einen Serienresonanzkreis mit konstantem Wirkwiderstand und veränderbarer Resonanzfrequenz an, so hat der Ausgang des Transformationsnetzwerkes das Verhalten eines Parallelresonanzkreises mit konstantem Wirkleitwert und veränderlicher Resonanzfrequenz. Der Transformationsfaktor, d. h. das Produkt aus Wirkwiderstand und Wirkleitwert, ist dabei lediglich von der Impedanz

abhängig. Im Beispiel der Figur ist eine veränderbare Kapazität C 2 parallelgeschaltet. Der Serienresonanzkreis am Eingang des Transformationsnetzwerks wird durch den Quarz gebildet; hierbei ist die eine der beiden Halterungskapazitäten, gestrichelt als Querzweigkapazitäten C _h gezeichnet, in die Transformationsschaltung einbezogen und die Parallelkapazität des Quarzes durch eine parallel zum Quarz gelegte zweite Induktivität L 2 kompensiert. Eingang und Ausgang dieser Schaltung sind über einen Verstärker V zu einer Rückkoppelschleife vereinigt. Der Quarz ist in der Schaltung nach der Figur durch sein Ersatzbild dargestellt.

Claims (10)

1. Verfahren zum Ziehen der Resonanzfrequenz einer Quarzschaltung zur Verwendung in einem Oszillator oder Filter, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz des Quarzes durch ein Transformationsnetzwerk transformiert wird, wobei der Serienresonanzkreis des Quarzersatzschaltbildes in einen Parallelresonanzkreis mit annähernd konstantem Wirkleitwert umgewandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungskapazitäten (C _h) des Quarzes kompensiert werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ziehen der Resonanzfrequenz hinter das Transformationsnetzwerk ein Blindleitwert geschaltet wird.

4. Quarzschaltung für Oszillatoren oder Filter mit großem Frequenzziehbereich, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Transformation der Quarzimpedanz vorgesehen sind, wobei der Serienresonanzkreis des Quarzersatzschaltbildes in einen Parallelresonanzkreis mit annähernd konstantem Wirkleitwert umgewandelt wird.

5. Quarzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind zur Kompensation der Halterungskapazitäten (C _h) des Quarzes.

6. Quarzschaltung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind zum Ziehen der Resonanzfrequenz durch einen hinter das Transformationsnetzwerk geschalteten Blindleitwert.

7. Quarzschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Transformationsnetzwerk für die Quarzimpedanz aus einem L-Glied mit einer Kapazität im Querzweig (C 1) und einer Induktivität im Längszweig (L 1) besteht.

8. Quarzschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität im Querzweig (C 1) aus der Streukapazität der Schaltung besteht.

9. Quarzschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Kompensation der Parallelkapazität des Quarzersatzschaltbildes durch Parallelschalten einer zweiten Induktivität (L 2) zum Quarz besteht.

10. Quarzschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Kompensation der Parallelkapazität des Quarzersatzschaltbildes darin besteht, daß der Quarz in einem Zweig einer Brückenschaltung angeordnet wird.