DE3918061A1 - Oszillator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator mit einem frequenzbestimmenden Element, einem ersten Verstärkungs­ element zum Aussteuern des frequenzbestimmenden Elements sowie einem zweiten Verstärkungselement zum Rückkoppeln von Schwingungen des frequenzbestimmenden Elements auf einen Eingang des ersten Verstärkungselements.

Aus Tietze-Schenk, "Halbleiter-Schaltungstechnik", 5. Auflage, Seite 430, Abschnitt 18.2.3, ist ein Quarz­ oszillator bekannt, bei dem der Quarz über einen Emitter­ folger angesteuert wird. Der durch den Quarz fließende Strom wird mit einem Stromspiegel verstärkt. Von diesem werden die Schwingungen auf den Basisanschluß des Emitter­ folgers rückgekoppelt. Über einen zum Quarz in Reihe liegenden, verstellbaren Kondensator kann die Schwing­ frequenz des Oszillators, die aus der Serienresonanz des Quarzes abgeleitet wird, in bestimmten Grenzen eingestellt werden. Dazu kann der einstellbare Kondensator - ausge­ bildet als Trimm- oder Drehkondensator - entsprechend justiert werden.

Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Oszillator der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß der Abgleich bzw. die Abstimmung der Schwingfrequenz durch eine von außen zuführbare elektrische Spannung bzw. einen Strom in einfacher Weise ermöglicht ist.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Oszillator dadurch gelöst, daß das frequenzbestimmende Element mit einem ersten Gegentakteingang des zweiten Verstärkungs­ elements und einem Widerstand verbunden ist, der anderer­ seits am Ausgang des ersten Verstärkungselements ange­ schlossen ist, mit dem ein zweiter Gegentakteingang des zweiten Verstärkungselements über ein erstes Tiefpaßfilter gekoppelt ist, und daß die Rückkopplung vom zweiten auf das erste Verstärkungselement über einen Phasensteller vorgenommen wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Oszillator wird gegenüber der Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik zunächst der in Serie zum Quarz liegende Kondensator weggelassen; statt dessen wird die Speisung des frequenzbestimmenden Elements, das als Schwingquarz oder als keramischer Resonator ausgebildet sein kann, über den beschriebenen Widerstand vorgenommen. Durch diesen Widerstand wird bewußt die Güte des frequenzbestimmenden Elements erniedrigt und damit die Steilheit der Phasen-Frequenz- Kennlinie des Oszillators im Bereich der Resonanzfrequenz verringert. Durch Dimensionierung des Widerstands wird der Abstimmbereich des Oszillators, d.h. der Bereich, in dem der Oszillator "gezogen" werden kann, gewählt. Je geringer der Wert des Widerstands ist, desto geringer ist die Steilheit der Phasen-Frequenz-Kennlinie.

Um zu vermeiden, daß bei einfach aufgebauten Schwing­ quarzen oder keramischen Resonatoren mit einer großen parasitären Anschlußkapazität diese als entscheidendes, frequenzbestimmendes Element wirkt, ist weiterhin das erste Tiefpaßfilter vorgesehen. Es hat außerdem den Vorteil, Schwingungen des Oszillators auf einer höheren Harmonischen des frequenzbestimmenden Elements zu unter­ binden.

Über den Phasensteller schließlich, der beispielsweise als Allpaß ausgebildet sein kann, dessen Phasendrehung in einfacher, an sich bekannter Weise über eine Steuer­ spannung bzw. einen Steuerstrom einstellbar ist, wird schließlich die Gesamtphasendrehung des Rückkopplungs­ kreises des Oszillators über die beiden Verstärkungs­ elemente, das erste Tiefpaßfilter bzw. den Widerstand und das frequenzbestimmende Element sowie über den Phasen­ steller selbst festgelegt. Der Frequenzbereich, innerhalb dessen die Schwingfrequenz des Oszillators abstimmbar ist, bestimmt sich aus dem Phasenverstellbereich des Phasen­ stellers im Zusammenhang mit dem Wert des Widerstands und kann im Prinzip von sehr geringen Frequenzwerten bis hinauf zum Frequenzwert der Parallelresonanz des frequenz­ bestimmenden Elements, d.h. insbesondere des Quarzes oder des keramischen Resonators, erstreckt werden. Dabei ist zusätzlich von Vorteil, daß Streuungen der Parallel­ resonanz durch das erste Tiefpaßfilter eliminiert werden, das eine Kompensation des Frequenzgangs der Zusammen­ schaltung des Widerstands und des frequenzbestimmenden Elements bewirkt. Dadurch kann der erfindungsgemäße Oszillator unabhängig von speziellen Eigenschaften des verwendeten frequenzbestimmenden Elements, insbesondere unabhängig von dessen Fertigungsstreuungen, hergestellt und betrieben werden.

Gegenuber den Oszillatoren nach dem Stand der Technik ermöglicht so die Erfindung insbesondere eine beträcht­ liche Erweiterung des Abstimmbereichs zu hohen Frequenzen hin. Die den Frequenzbereich begrenzende Parallelresonanz des frequenzbestimmenden Elements mit seiner parasitären Anschlußkapazität kann letztlich durch Verwendung hoch­ wertiger Konstruktionen für das frequenzbestimmende Element weiter gesteigert werden.

Der erfindungsgemäße Oszillator ist somit einfach, insbe­ sondere ohne aufwendige Abgleichvorgänge zur Kompensation von Bauelementestreuungen oder Temperaturabhängigkeiten, in phasenverriegelten Schleifen mit in weiten Grenzen wählbaren Nennfrequenzen einsetzbar.

Grundsätzlich könnte eine Abstimmung eines Oszillators nach dem Stand der Technik durch einen Strom bzw. eine Spannung auch dadurch erfolgen, daß der dort in Reihe zum Quarz geschaltete Kondensator als Kapazitätsdiode ausge­ bildet wird. Um dabei jedoch einen hinreichend großen Frequenzabstimmbereich zu erhalten, sind Kapazitätsdioden mit sehr großer Kapazität und damit sehr großer Quer­ schnittsfläche des Halbleiterübergangs erforderlich. Bei einer Integration des Oszillators auf einem Halbleiter­ kristall ist dagegen die Erfindung platzsparender und damit vorteilhafter.

Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Oszillators ist ein zweites Tiefpaßfilter in die Verbindung zwischen dem Ausgang des zweiten Verstärkungselements und dem Eingang des ersten Verstärkungselements eingefügt. Dieses zweite Tiefpaßfilter dient insbesondere zum Unterdrücken höherer Harmonischer der Resonanzfrequenz des Oszilla­ tors. Dieser schwingt dadurch besonders exakt, d.h. frequenz- und phasenrein auf der Frequenz der Grund­ resonanz des frequenzbestimmenden Elements.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfaßt der Phasensteller ein auf eine feste Phasendrehung einge­ stelltes Phasendrehglied sowie eine dazu in Ketten­ schaltung angeordnete Phaseneinstellstufe variabler Phasendrehung. Insbesondere weist dabei das Phasendreh­ glied eine Phasendrehung von 180° auf. Diese Aufteilung dient der Einstellung der Schwingfrequenz des Oszillators und seines Frequenzeinstellbereiches. Vorteilhaft wird das Phasendrehglied im Zusammenwirken mit den Tiefpaßfiltern weiterhin zur Unterdrückung parasitärer Schwingungen des Oszillators ausgenutzt, insbesondere solchen durch para­ sitäre Anschlußkapazitäten sowie auf höheren Harmonischen der Grundschwingung des frequenzbestimmenden Elements. Die Dimensionierung des Phasenstellers und damit des Phasen­ drehgliedes und der Phaseneinstellstufe wird dabei stets unter Berücksichtigung der Phasendrehungen der übrigen Teile des Oszillators vorgenommen. In einem speziellen Dimensionierungsfall kann bei der Schwingfrequenz die Phasendrehung des Phasenstellers verschwinden oder beispielsweise gerade 180° betragen; entsprechend kann bei einem frequenzbestimmenden Element mit sehr geringen parasitären Anschlußkapazitäten die Grenzfrequenz des ersten Tiefpaßfilters hoch gewählt werden, so lange das zweite Tiefpaßfilter für eine hinreichende Unterdrückung unerwünschter Schwingungen ausgelegt ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Oszillators,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des Oszillators nach Fig. 1,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Im Oszillator nach Fig. 1 ist ein frequenzbestimmendes Element 1, beispielsweise ein Schwingquarz oder ein keramischer Resonator, in einer Ausbildung als Zweipol mit einem Anschluß an Masse und mit einem zweiten Anschluß mit einem ersten Gegentakteingang 2 eines zweiten Verstär­ kungselements 3 verbunden. Diese Verbindung ist außerdem über einen Widerstand 4 an einen Ausgang 5 eines ersten Verstärkungselements 6 angeschlossen. Das erste Verstär­ kungselement 6 steuert von seinem Ausgang 5 aus einerseits über den Widerstand 4 das frequenzbestimmende Element 1 und andererseits über ein erstes Tiefpaßfilter 7 das zweite Verstärkungselement 3 an einem zweiten Gegentakt­ eingang 8 aus. Außerdem steuert die Spannung am frequenz­ bestimmenden Element 1 das zweite Verstärkungselement 3 an seinem ersten Gegentakteingang 2. Über einen Phasen­ steller 9 schließt sich die Rückkopplung vom Ausgang 10 des zweiten Verstärkungselements 3 auf den Eingang 11 des ersten Verstärkungselements 6.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus der Phasen-Frequenz- Kennlinie des Oszillators nach Fig. 1 im Bereich um dessen Resonanz- bzw. Schwingfrequenz f0. Dabei ist die Frequenz f entlang der Abszisse, die Phase p entlang der Ordinate aufgetragen. Eine erste Kurvenschar RQ1 zeigt mit ihrer Vollinie die Phasen-Frequenz-Kennlinie des Oszilla­ tors für einen großen Wert des Widerstands 4 bei der Resonanzfrequenz f0. Die oberhalb und unterhalb dieser Vollinie eingezeichneten strichpunktierten Linien geben den Verlauf der Phasen-Frequenz-Kennlinie mit zu höheren bzw. niedrigeren Werten der Phasendrehung hin verstelltem Phasensteller 9 wieder. Für diese Fälle ergeben sich Schwingfrequenzen des Oszillators, die in enger Nachbar­ schaft oberhalb und unterhalb der Resonanzfrequenz f0 liegen. Für eine geringe Frequenzverstimmung, d.h. eine geringe Abweichung der Resonanzfrequenz vom Wert f0, ist dabei eine hohe Verstellung der Phase p notwendig.

Die zweite Kurvenschar RQ2 zeigt mit ihrer Vollinie eine Phasen-Frequenz-Kennlinie entsprechend der Kennlinie RQ1, jedoch für einen sehr viel niedrigeren Wert des Wider­ stands 4. Anstelle der strichpunktierten Linien deuten bei der Kurvenschar RQ2 gestrichelte Linien eine gleich große Veränderung der Phasenstellung mit Hilfe des Phasen­ stellers 9 an. Der dabei erreichte Einstellbereich für die Frequenz ist hier als fz2 bezeichnet und wesentlich größer als der Einstellbereich fz1 im ersten Fall. Mit einer geringen Verstellung des Phasenstellers 9 ist somit eine große Einstellbarkeit des Oszillators erzielt. Über die Steilheit der Phasen-Frequenz-Kennlinie kann bei vorge­ gebenem Phaseneinstellbereich des Phasenstellers 9 die Weite des Frequenzeinstellbereichs fz1 bzw. fz2 ausgewählt werden.

In der Abwandlung nach Fig. 3, in der aus Fig. 1 bereits bekannte Elemente wieder mit denselben Bezugszeichen versehen sind, ist ein zweites Tiefpaßfilter 12 in die Verbindung zwischen dem Ausgang 10 des zweiten Verstärkungselements 3 und dem Eingang 11 des ersten Verstärkungselements 6 eingefügt. Das erste und das zweite Tiefpaßfilter 7 bzw. 12 bestehen jeweils aus einer Wider­ stands-Kapazitäts-Kombination mit einem Längswiderstand und einer gegen Masse geschalteten Querkapazität. Dabei wird insbesondere die Querkapazität des ersten Tiefpaß­ filters 7 derart dimensioniert, daß sie die Anschluß­ kapazität des frequenzbestimmenden Elements 1 kompensiert, die in Fig. 3 explizit als Kondensator 13 dargestellt und gegen Masse wirksam ist.

In Fig. 3 ist ferner der Phasensteller 9 aufgeteilt in ein auf eine feste Phasendrehung von beispielsweise 180° eingestelltes Phasendrehglied 14 sowie eine dazu in Kettenschaltung angeordnete Phaseneinstellstufe 15 mit variabler Phasendrehung aufgeteilt. Zum Nachstimmen der Frequenz kann die Phaseneinstellstufe 15 - beispielsweise eine an sich bekannte Allpaßschaltung - durch eine von außen zuführbare Steuerspannung variiert werden.

Zusätzlich zu den beschriebenen Möglichkeiten der Frequenzabstimmung ist es bei den vorliegenden Anordnungen ebenfalls möglich, durch Veränderung der Tiefpaßfilter 7 bzw. 12 den Oszillator zu "ziehen", jedoch wird dabei nur ein eingeschränkter Frequenzeinstellbereich erhalten.

Claims (3)

1. Oszillator mit einem frequenzbestimmenden Element (1), einem ersten Verstärkungselement (6) zum Aussteuern des frequenzbestimmenden Elements (1) sowie einem zweiten Verstärkungselement (3) zum Rückkoppeln von Schwingungen des frequenzbestimmenden Elements (1) auf einen Eingang (11) des ersten Verstärkungselements (6), dadurch gekennzeichnet, daß das frequenzbestimmende Element (1) mit einem ersten Gegentakteingang (2) des zweiten Verstärkungselements (3) und einem Widerstand (4) verbunden ist, der andererseits am Ausgang (5) des ersten Verstärkungselements (6) angeschlossen ist, mit dem ein zweiter Gegentakteingang (8) des zweiten Verstärkungs­ elements (3) über ein erstes Tiefpaßfilter (7) gekoppelt ist, und daß die Rückkopplung vom zweiten (3) auf das erste Verstärkungselement (6) über einen Phasensteller (9) vorgenommen wird.

2. Oszillator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zweites Tiefpaßfilter (12), das in die Verbindung zwischen dem Ausgang (10) des zweiten Verstärkungselements (3) und dem Eingang (11) des ersten Verstärkungselements (6) eingefügt ist.

3. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasensteller (9) ein auf eine feste Phasendrehung eingestelltes Phasendreh­ glied (14) sowie eine dazu in Kettenschaltung angeordnete Phaseneinstellstufe (15) variabler Phasendrehung umfaßt.