DE3918061C2 - Oszillator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator mit einem frequenzbestimmenden Element, einem ersten Verstärkungselement zum Aussteuern des frequenzbestimmenden Elements sowie einem zweiten Verstärkungselement zum Rückkoppeln von Schwingungen des frequenzbestimmenden Elements auf einen Eingang des ersten Verstärkungselements nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

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

Die DE 28 01 854 C2 zeigt insbesondere in ihrer Fig. 1 sowie der zugehörigen, jedoch auch der allgemeinen Beschreibung einen spannungsgesteuerten Kristalloszillator mit einem ersten Differenzverstärker aus zwei Transistoren 11 und 12. Ein zweiter Differenzverstärker aus zwei Transistoren 23, 24 ist mit deren verbundenen Emittern mit dem Kollektor eines der Differenzverstärkertransistoren (11) des ersten Differenzverstärkers über einen ersten Phasenschieber verbunden, der aus einem Widerstand 19 und einem Kondensator 18 gebildet ist. Der Kollektor eines der Transistoren (24) des zweiten Differenzverstärkers ist über einen weiteren Phasenschieber aus zwei Widerständen 28, 29 und einem Kondensator 30 mit der Basis eines Transistors 32 verbunden. Dessen Emitter wiederum ist über eine Reihenschaltung aus einem Kristall 13 und einem Kondensator 14 mit einem Basisanschluß eines der Transistoren (11) des ersten Differenzverstärkers verbunden, wodurch eine Rückkopplungsschleife entsteht. Während über eine Klemme 21 den Basisanschlüssen der Transistoren 11, 12 des ersten Differenzverstärkers niederohmig eine Gleichvorspannung zugeführt wird, die für die Schwingungsfrequenz der Oszillatorschaltung keine Bedeutung hat (Spalte 3, Zeilen 28 bis 32), wird über Klemmen 27, 28 dem zweiten Differenzverstärker 23, 24 eine Steuerspannung zugeführt, die die Schwingungsfrequenz der Oszillatorschaltung steuert.

Bei diesem bekannten Kristalloszillator bildet der Phasenschieber 18, 19 und der weitere Phasenschieber 28, 29, 30 zusammen mit dem zweiten Differenzverstärker einen Phasensteller, denn nur im Zusammenhang aller dieser Elemente wird bei dem Oszillator nach dem Stand der Technik eine einstellbare Phase erhalten, wie sie der Phasensteller (Bezugszeichen 9) beim Ausführungsbeispiel des Anmeldungsgegenstandes gemäß der vorliegenden Erfindung liefert.

Bei dem aus der DE 28 01 854 C2 benannten Oszillator wird die Rückkopplung vom Transistor 32 zum ersten Differenzverstärker 111, 12 über die Reihenschaltung aus dem Kristall 13 und dem Kondensator 14 vorgenommen. Es zeigt sich, daß mit einer derartigen Anordnung verschiedene Nachteile verbunden sind. Zum einen erweist sich der Kondensator bei der monolithischen Integration des Oszillators als störend, zum anderen ist der Frequenz-Abstimmungsbereich der Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik unzureichend. Außerdem muß der Kristall bei einer monolithischen Integration aller übrigen Bauteile des Oszillators mit dieser integrierten Schaltung über zwei Anschlüsse verbunden werden.

Die GB 21 52 312 A zeigt ebenfalls einen steuerbaren Kristalloszillator-Schaltkreis. Dieser umfaßt einen Verstärker und eine die Schwingung hervorrufende und unterstützende Rückkopplungsschleife zwischen einem Ausgang und einem Eingang des Verstärkers. Diese Rückkopplungsschleife enthält zwei Integratoren, von denen jeder eine Phasendrehung von 90° vornehmen soll, sowie einen Verstärker. Dabei ist der zweite Integrator, der mit Tiefpaßelementen R2 und C2 ausgeführt ist, in der Grenzfrequenz und damit in der Phase veränderbar. Der erste Integrator mit dem Kondensator C1 bewirkt eine feste Phasendrehung von 90°. Die Ansteuerung des Verstärkers an seinem entsprechenden ingang (Basisanschluß des Transistors 2 in den Fig. 1 und 2 der GB 2 152 312 A) über den Quarz erfolgt unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung einer weiteren Baugruppe bzw. eines weiteren Schaltungselements.

Wie Fig. 2 der GB 2 152 312 A ferner zeigt, wird dort außer dem ersten Integrator mit konstanter Phasendrehung von 90° eine Steuerschaltung (Bezugszeichen 21 in Fig. 2) verwendet, die abhängig von der Differenz der eingeprägten Ströme der Stromquellen 29 und 32 die Phasendrehung der Rückkopplungsschleife steuert, vgl. dazu Seite 3 der Entgegenhaltung 3, Zeile 25. Stimmen die Ströme der Stromquellen 29 und 32 überein, verschwindet die durch diese Steuerschaltung 21 hervorgerufene Phasendrehung, und es bleibt lediglich die durch den ersten Integrator hervorgerufene Phasendrehung in der Rückkopplungsschleife. Mit der Variation der Ströme in den Stromquellen 29 und 32 wird auch die Schleifenverstärkung verändert, vgl. Seite 3, Zeile 22, der Entgegenhaltung 3. Bei dieser Schaltung können sehr leicht Probleme durch parasitäre Schwingungen auftreten, da der zweite Integrator abhängig von der Differenz der Ströme in den Stromquellen 29 und 32 in instabile Bereiche geraten kann, wenn nämlich sich das Vorzeichen in der Gegenkopplung des zweiten Integrators ändert, je nach dem, welcher der beiden Ströme größer und welcher kleiner gewählt wird.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine einfache Schaltungsanordnung zu schaffen, die die vorstehenden Nachteile vermeidet.

Dazu wird der gattungsgemäße Oszillator gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs ausgebildet.

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 beschreibenden 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 Widerstandes 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 Schwingquarzen 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 unterbinden.

Über den Phasensteller schließlich, der beispielsweise als Allpaß ausgebildet sein kann, dessen Phasendrehung in einfacher, an sich bekannter Weise über eine Steuerspannung bzw. einen Steuerstrom einstellbar ist, wird schließlich die Gesamtphasendrehung des Rückkopplungskreises des Oszillators über die beiden Verstärkungselement, das erste Tiefpaßfilter bzw. den Widerstand und das frequenzbestimmende Element sowie über den Phasensteller selbst festgelegt. Der Frequenzbereich, innerhalb dessen die Schwingfrequenz des Oszillators abstimmbar ist, bestimmt sich aus dem Phasenverstellbereich des Phasenstellers im Zusammenhang mit dem Wert des Widerstands und kann im Prinzip von sehr geringen Frequenzwerten bis hinauf zum Frequenzwert der Parallelresonanz des frequenzbestimmenden Elements, d. h. insbesondere des Quarzes oder des keramischen Resonators, erstreckt werden. Dabei ist zusätzlich von Vorteil, daß Streuungen der Parallelresonanz durch das erste Tiefpaßfilter eliminiert werden, das eine Kompensation des Frequenzgangs der Zusammenschaltung 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.

Gegenüber den Oszillatoren nach dem eingangs angezogenen Stand der Technik gemäß "Tietze/Schenk" ermöglicht so die Erfindung insbesondere eine beträchtliche Erweiterung des Abstimmbereichs zu hohen Frequenzen hin. Die den Frequenzbereich begrenzende Parallelresonanz des frequenzbestimmenden Elements mit seiner parasitären Anschlußkapazität kann letztlich durch Verwendung hochwertiger Konstruktionen für das frequenzbestimmende Element weiter gesteigert werden.

Der erfindungsgemäße Oszillator ist somit einfach, insbesondere 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 ausgebildet wird. Um dabei jedoch einen hinreichend großen Frequenzabstimmbereich zu erhalten, sind Kapazitätsdioden mit sehr großer Kapazität und damit sehr großer Querschnittsfläche des Halbleiterübergangs erforderlich. Bei einer Integration des Oszillators auf einem Halbleiterkristall ist dagegen die Erfindung platzsparender und damit vorteilhafter.

Bei dem erfindungsgemäßen Oszillator wird der Abgleich bzw. die Abstimmung der Schwingfrequenz durch eine von außen zuführbare elektrische Spannung bzw. einen Strom in einfacher Weise ermöglicht.

Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Oszillators besteht darin, daß in die Verbindung vom Ausgang (Bezugszeichen 5 in der Figur) des ersten Verstärkungselements (6) zum zweiten Verstärkungselement (3) zwei Parallelzweige eingefügt sind, die an je einen der Gegentakteingänge (2 bzw. 8) des zweiten Verstärkungselements (3) führen. Erfindungsgemäß wird einer dieser Zweige durch ein erstes Tiefpaßfilter (7) gebildet, während der zweite Zweig einen Widerstand (4) als Längswiderstand und das gegen Masse geschaltete, frequenzbestimmende Element (1) umfaßt.

Durch eine solche Anordnung ergibt sich in einfacher Weise ein sehr breiter Abstimmbereich für den Oszillator, und auch die übrigen, vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik werden vermieden.

Ein bedeutsamer Unterschied zwischen dem Stand der Technik gemäß GB 2 152 312 A und dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht in der Ansteuerung des Verstärkers über den Quarz. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Verstärker an seinem (zweiten Gegentakt-) Eingang über ein erstes Tiefpaßfilter angesteuert.

Dieses erste Tiefpaßfilter dient zur Kompensation der Parallelresonanz und bildet ein sehr wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung. Durch dieses Tiefpaßfilter wird ein sicheres Schwingverhalten gewährleistet; ein Schwingen als RC-Oszillator auf dem Anschluß-Kondensator des Quarzes findet nicht statt. Außerdem ist eine beträchtliche Erweiterung des Ziehbereiches des Oszillators, eine bessere Temperaturstabilität und eine geringere Anfälligkeit gegen äußere Störungen durch die Erfindung zu erreichen.

Die vorliegende Erfindung kommt ferner ohne einen Integrator aus. Vielmehr wird die Phasendrehung durch einen einstellbaren Phasensteller (9) vorgenommen, der beispielsweise als Allpaßschaltung ausgeführt sein kann. Damit läßt sich die Phasendrehung 0 bis 180° verändern, ohne daß eine Veränderung der Schleifenverstärkung auftritt.

Somit ist durch eine Kristalloszillator gemäß der GB 2 152 312 A keinesfalls eine einfache, kostengünstige Schaltung mit großem Abstimmbereich geschaffen, die außerdem den Vorteil einer erhöhten Temperaturstabilität und einer verringerten Störanfälligkeit aufweist.

An dieser Stelle sie noch angemerkt, daß aus der zu) entgegengehaltenen US 3,691,475, insb. Fig. 1 mit zugehöriger Beschreibung, ist ein Oszillator bekannt, bei dem ein Verstärker (1) ein Ausgangssignal (a) über zwei Phasenschieber (2, 3) unterschiedlicher, fest vorgegebener Phasendrehung als Signale b bzw. c einem Addierer zuführt, in dem eine lineare Überlagerung der beiden phasenverschobenen Signale vorgenommen wird. Zur Einstellung der Phasenverschiebung des Ausgangssignals d des Addierers (4) gegenüber dem Signal a vom Verstärker (1) über die Koeffizienten, mit denen die Signale b und c kombiniert werden, wird dem Addierer (4) auf den Verstärker (1) zurückgekoppelt.

Aus der US 3.691.475 ist somit zwar im Prinzip die Aufspaltung des vom Verstärker (1) gelieferten Signals auf zwei Phasenschieber bekannt. Der diese unterschiedlich phasenverschobenen Signale wieder kombinierende Addierer (4) ist jedoch in seiner Funktion nicht mit dem zweiten Verstärkungselement (3) der vorliegenden Erfindung zu vergleiche, ebenso wenig wie mit dem ersten Differenzverstärker aus der DE 28 01 854 C2. Würde nämlich anstelle des Addierers (4) ein solcher Differenzverstärker treten, ergäbe sich eine mit der Funktion gemäß US 3.691.475 nicht mehr vergleichbare Signalüberlagerung.

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 Oszillators. Dieser schwingt dadurch besonders exakt, d. h. frequenz- und phasenrein auf der Frequenz der Grundresonanz des frequenzbestimmenden Elements.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfaßt der Phasensteller ein auf eine feste Phasendrehung eingestelltes Phasendrehglied sowie eine dazu in Kettenschaltung angeordnete Phaseneinstellstufe variabler Phasendrehung. Insbesondere weist dabei das Phasendrehglied 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 fO. 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 fO. 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 fO liegen. Für eine geringe Frequenzverstimmung, d. h. eine geringe Abweichung der Resonanzfrequenz vom Wert fO, 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 Widerstands-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), bei dem die Rückkopplung vom zweiten (3) auf das erste Verstärkungselement (6) über einen durch eine Steuer­ spannung bzw. einen Steuerstrom einstellbaren Phasen­ steller (9) vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das frequenzbestimmende Element (1) als Zweipol ausgebildet sowie mit einem Anschluß an Masse und mit einem zweiten Anschluß mit einem ersten Gegentakteingang (2) des zweiten Verstärkungs­ elements (3) und einem ersten Anschluß eines Wider­ stands (4) verbunden ist, dessen zweiter Anschluß am Ausgang (5) des ersten Verstärkungselements (6) ange­ schlossen ist, mit dem ein zweiter Gegentakteingang (8) des zweiten Verstärkungselements (3) über ein erstes Tief­ paßfilter (7) gekoppelt ist.

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.