DE3730773A1 - Hochfrequenz-generator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Generator mit einem Quarzoszillator in Clapp-Schaltung, in der ein er­ ster Transistor über eine Verbindung seiner Basis und seines Emitters an einen ersten Parallelschwingkreis ge­ koppelt ist.

Ein Hochfrequenz-Generator mit den genannten Merkmalen für Frequenzen im MHz-Bereich ist z.B. einem Beitrag von Knapp (Knapp, K.H.: Grundschaltungen der Elektronik - Der Oszillator. Funkschau 21, (1982), Seite 82, Bild 20) zu entnehmen. Am Emitter des ersten Transistors werden Sinusschwingungen des Oszillators kapazitiv ausgekop­ pelt. Sie können dann z.B. einem zweiten Transistor zur Verstärkung zugeführt werden.

Die Clapp-Schaltung zeichnet sich äußerlich dadurch aus, daß ihr Schwingkreis drei Kondensatoren enthält, von de­ nen einer (Größenordnung etwa 10 pF nach Knapp, l. c.) der Abstimmung des Schwingkreises dient, während die bei­ den weiteren (Größenordnung etwa 250 pF für Frequenzen im Bereich von 10 MHz, ebenfalls nach Knapp, l. c.) zur Ent­ dämpfung an den ersten Transistor gekoppelt sind.

Die Frequenz der Clapp-Schaltung - im folgenden Clapp-Os­ zillator genannt - ist praktisch unabhängig von parasitä­ ren Kapazitäten des ersten Transistors, weil sie parallel zu den großen Kapazitäten des Schwingkreises liegen. Die Frequenzstabilität - also Stabilität gegenüber Tempera­ turänderungen, Versorgungsspannungsschwankungen und Exem­ plarstreuungen des Transistors - ist das hervorstechend­ ste Merkmal des Clapp-Oszillators und eine Folge der oben erwähnten speziellen Kopplung an den Transistor (verglei­ che auch Clapp, J., K.: An Inductance-Capacitance Oscil­ lator of Unusual Frequency Stability. Proceedings of the I.R.E. (1948), Seiten 365 bis 358).

Nachteilig ist, daß der Oszillator Sinusschwingungen mit sehr kleiner Amplitude liefert; auch mit einem weiteren Transistor als Nachverstärkerstufe muß die Amplitude in der Größenordnung von 10 mVolt bleiben, wenn man ein Ausgangssignal hoher Spektralreinheit benötigt und dabei Speisespannungen in der Größenordnung von 5 Volt - also TTL-gerechte Spannungen - verwendet.

Hohe spektrale Reinheit ist z.B. für Sinus-Oszillatoren erforderlich, die als frequenzbestimmendes Element in Hochfrequenz-Taktgeneratoren verwendet werden, deren Takt ein definiertes Tastverhältnis haben soll (unter Taktge­ nerator wird hier ein Frequenz-Generator verstanden, der Rechteckschwingungen abgibt). Ist das frequenzbestimmende Element z.B. ein Clapp-Oszillator, so müssen im allgemei­ nen mehrere Verstärkerstufen nachgeschaltet werden, bevor die Sinusschwingung in eine TTL-gerechte Rechteckschwin­ gung mit definiertem Tastverhältnis umgewandelt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochfre­ quenz-Generator der eingangs genannten Art ohne zusätzli­ che Verstärkerstufe so weiterzubilden, daß sich an ihm eine reine Sinusschwingung abnehmen läßt, deren Amplitude in der Größenordnung der Versorgungsspannung liegt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Kollektor des ersten Transistors über einen zweiten Parallelschwing­ kreis mit einem Pol der Versorgungsspannungsquelle ver­ bunden ist und daß der zweite Parallelschwingkreis auf die Nennfrequenz des ersten Parallelschwingkreises abge­ stimmt ist.

Die erfindungsgemäße Schaltung hat den Vorteil, daß durch Abstimmung des zweiten Parallelschwingkreises in der Kollektorzuleitung des ersten Transistors auch Oberton­ quarze zur Erzeugung von Schwingungen mit entsprechend höherer Frequenz verwendet werden können. Außerdem kann die erfindungsgemäße Schaltung wegen der großen Amplitude ihrer Ausgangsschwingungen zur Ansteuerung eines Schalt­ transistors verwendet werden, um mit diesem Rechteck­ schwingungen gleicher Frequenz zu erzeugen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Anhand eines Ausführungsbeispieles und anhand der Figur soll die Erfindung näher erläutert werden.

Die Figur zeigt einen Hochfrequenz-Generator mit erfin­ dungegemäßen Schaltungsmerkmalen.

Der Hochfrequenz-Generator nach der Figur stellt einen Taktgenerator dar, bei dem das Tastverhältnis der an ei­ nem Ausgangswiderstand R 6 anliegenden Rechteckschwingung 0,5 beträgt. Unter dem Tastverhältnis wird hier das Ver­ hältnis von Impulslänge zu Periodendauer der Rechteck­ schwingung verstanden.

Der Taktgenerator nach der Figur enthält einen Clapp-Os­ zillator CO mit einer nachgeschalteten Transistor-Ver­ stärkerstufe. Der Schwingkreis des Clapp-Oszillators CO - ein Parallelschwingkreis - wird aus einem Schwingquarz Q, einem zu ihm in Serie geschalteten Kondensator C 3 und aus der zum Quarz Q und dem Kondensator C 3 parallel liegenden Serienschaltung zweier Kondensatoren C 2 und C 4 gebildet; der Parallelschwingkreis liegt zwischen der Basis eines npn-Transistors T 1 und einem Anschluß mit Bezugspoten­ tial. Der Emitter des Transistors T 1, der die Schwin­ gungen des Schwingkreises Q, C 4, C 2 und C 3 entdämpft, ist direkt an den Verbindungspunkt der beiden Kondensato­ ren C 2 und C 4 gekoppelt. Durch einen Spannungsteiler R 1, R 4 und R 5 wird die Basisvorspannung des Transistors T 1 eingestellt. Die Verbindung von Basis und Emitter des Transistors T 4 enthält neben dem Widerstand R 4 eine zu ihm in Serie liegende Diode D 4. Die Diode D 4 kompensiert den Temperaturgang der Kennlinie des Transistors T 1 und stabilisiert damit das Potential am Punkt A.

Zur Bedämpfung der Schwingungen im frequenzbestimmenden Schwingkreis Q, C 2, C 3, C 4 des Clapp-Oszillators CO ist in Serie zum Kondensator C 3 ein nichtlinearer Zweipol ge­ schaltet. Er besteht aus der Serienschaltung eines Wider­ standes R 7 und zwei antiparallel geschalteten Schottky- Dioden D 5 und D 6. Der Zweipol wird dann wirksam, wenn die Schwingungsamplitude über dem Kondensator C 3 die Schwell­ spannung der Dioden D 5 und D 6 überschritten hat.

Der Kollektor des Transistors T 1 ist an einen Anschluß eines zweiten Parallelschwingkreises L, C 6 angeschlos­ sen. Dieser Parallelschwingkreis sorgt dafür, daß am Kollektor reine Sinusschwingungen auftreten, deren Fre­ quenz mit der Eigenfrequenz des Schwingkreises L, C 6 übereinstimmt, vorausgesetzt diese Eigenfrequenz stimmt mit der Nennfrequenz des ersten Schwingkreises Q, C 2, C 3, C 4 überein. Andernfalls kommen in der Gesamtschaltung keine reinen Sinusschwingungen zustande. Die Amplitude der Sinusschwingungen am Kollektor des Transistors T 1 be­ trägt etwa ein Drittel der Versorgungsspannung UB.

Der andere Anschluß des Parallelschwingkreises L, C 6 - nämlich der Punkt A - ist über einen Kondensator C 5 wechselstrommäßig auf Bezugspotential gelegt.

Die dem Clapp-Oszillator CO nachgeschaltete Transistor- Verstärker-Stufe besteht aus einem in Emitterschaltung verwendeten pnp-Transistor T 2 mit dem Ausgangs- bzw. Kollektorwiderstand R 6. Die Basis des Transistors T 2 ist über einen Widerstand R 3, der durch eine Diode D 2 über­ brückt ist, mit dem Kollektor des Transistors T 1 verbun­ den. Die Diode D 2 - ihre Kathode liegt an der Basis B des Transistors T 2 - und der Widerstand R 3 dienen der Be­ schleunigung von Ein- und Ausschaltvorgängen des Tran­ sistors T 2, der als Schalter betrieben wird. Ähnliche Funktion hat eine Diode D 3, die den Kollektor des Tran­ sistors T 2 mit seiner Basis B verbindet. Diese Diode - ihre Kathode liegt ebenfalls an der Basis des Tran­ sistors T 2 - läßt das Potential an der Basis des Transis­ tors T 2 nicht so tief absinken, daß der Transistor T 2 in die Sättigung gerät. Damit wird seine Schaltgeschwindig­ keit und zugleich die Flankensteilheit der Rechteck­ schwingungen erhöht.

Eine wichtige Eigenschaft der Schaltung nach der Figur ist die, daß das Gleichstrompotential am Punkt A genauso groß ist wie das Gleichstrompotential an der Basis B des Transistors T 2, denn durch einen Transistor T 3, dessen Kollektor ebenfalls über eine Schottky-Diode D 1 mit sei­ ner Basis verbunden ist, wird das Potential am Punkt A dem am Punkt B nachgebildet. Die Polung der Diode D 1 ist jedoch der Polung der Diode D 3 entgegengesetzt.

Weil an den Punkten A und B das gleiche Gleichstrompoten­ tial anliegt und der Punkt A wechselstrommäßig auf Be­ zugspotential liegt, ändert der Transistor T 2 zu den Nulldurchgängen der am Kollektor des Transistors T 1 an­ liegenden Sinusschwingungen seinen Schaltzustand. Damit ist das Tastverhältnis 0,5 gewährleistet.

Die beiden Transistoren T 2 und T 3 werden aus der gleichen Versorgungsspannungsquelle gespeist, deren Pluspol mit +UB bezeichnet ist.

Wird die Versorgungsspannungsquelle umgepolt, so bleibt die Schaltung nach der Figur in ihrer Funktion unverän­ dert, wenn der Leitfähigkeitstyp der Transistoren geän­ dert wird und die Dioden umgepolt werden.

Claims (5)

1. Hochfrequenz-Generator mit einem Quarzoszillator in Clapp-Schaltung, in der ein erster Transistor über eine Verbindung seiner Basis und seines Emitters an einen er­ sten Parallelschwingkreis gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des ersten Transistors (T 1) über einen zweiten Parallelschwingkreis (L, C 6) mit einem Pol (+UB) einer Versorgungsspannungsquelle verbunden ist und daß der zweite Parallelschwingkreis (L, C 6) auf die Nennfre­ quenz des ersten Parallelschwingkreises (Q, C 2, C 3, C 4) abgestimmt ist.

2. Hochfrequenz-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Rechteckschwingung ein zweiter Transistor (T 2) vorgesehen ist, dessen Leitfähigkeitstyp dem des ersten Transistors (T 1) entgegengesetzt ist, der in Emitterschaltung betrieben wird und dessen Basis über einen Basiswiderstand (R 3) mit dem Kollektor des ersten Transistors (T 1) verbunden ist, und daß der Basiswider­ stand (R 3) mit einer ersten Diode (D 2) und die Basis-Kol­ lektor-Strecke des zweiten Transistors (T 2) mit einer zweiten Diode (D 3) überbrückt ist.

3. Hochfrequenz-Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung des Tastverhältnisses 0,5 in der Kol­ lektorzuleitung des ersten Transistors (T 1) die Kollek­ tor-Emitter-Strecke eines dritten Transistors (T 3) liegt, dessen Leitfähigkeitstyp mit dem des zweiten Transis­ tors (T 2) übereinstimmt, dessen Basis-Emitter-Strecke mit einer dritten Diode (D 1) überbrückt ist und dessen An­ schluß (A) an den zweiten Parallelschwingkreis (L, C 6) wechselstrommäßig auf Bezugspotential gelegt ist, und daß die dritte Diode (D 1) eine zur zweiten Diode (D 3) inverse Polung aufweist.

4. Hochfrequenz-Generator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bedämpfung der Schwingungen des ersten Parallel­ schwingkreises (Q, C 2, C 3, C 4) parallel zu einem seiner Kondensatoren (C 3) ein nicht linearer Zweipol geschaltet ist, dessen Widerstandswert mit zunehmender Amplitude ab­ nimmt.

5. Hochfrequenz-Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zur Basis-Emitter-Strecke des ersten Tran­ sistors (T 1) parallel liegenden Zweig eine vierte Dio­ de (D 4) liegt.