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Die Erfindung betrifft einen Oszillator mit einem Verstärker, der eine erste
und eine zweite Speiseklemme, einen Verstärkungstransistor mit einer mit einer
Ausgangsklemme gekoppelten ersten Hauptelektrode, einer mit der ersten Speiseklemme
gekoppelten zweiten Hauptelektrode und einer mit einer Eingangsklemme gekoppelten
Steuerelektrode umfasst; einem Resonator sowie einer Startschaltung, die das Potential an der
Eingangsklemme durch eine Messung des Potentials an der Eingangsklemme begrenzt.
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Ein solcher Oszillator ist aus einem deutschen Patentschriftstück Nr.
3128331 bekannt. Die Frequenz des Ausgangssignals eines Oszillators wird häufig durch
die Verwendung eines piezoelektrischen Elementes definiert, beispielsweise eines
Quarzkristalls. Die dem piezoelektrischen Element zugeführte Leistung muss von erheblicher
Größenordnung sein, um einen solchen Oszillator zu starten. Der Verstärker muss aus
diesem Grunde eine hohe Verstärkung haben. Um dies zu erreichen, muss die
Transkonduktanz des Verstärkungstransistors des Verstärkers verhältnismäßig groß sein. Es ist üblich,
ein Strom generierendes Mittel mit der Steuerelektrode des Verstärkungstransistors zu
koppeln. Diese Maßnahme kann als Ergebnis haben, dass der Verstärkungstransistor überlastet
wird, sodass die Transkonduktanz plötzlich stark abfällt. Der Oszillator kann dann nicht
starten. Dieses Problem wird bei dem bekannten Oszillator dadurch gelöst, dass der
Oszillator mit einer Hilfsschaltung versehen wird, die durch eine Spannungsmessung an der
Ausgangsklemme des Oszillators den von den Strom generierenden Mitteln gelieferten
Strom verringert, wenn das Potential an der Ausgangsklemme des Oszillators einen
bestimmten Grenzwert überschreitet. Die Hilfsschaltung ist nämlich eine rückgekoppelte
Steuerschleife und hat einen Messtransistor, der über seine Eingangselektrode mit der
Ausgangsklemme des Oszillators gekoppelt ist.
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Ein Nachteil des bekannten Oszillators ist, dass die Hilfsschaltung ein
instabiles Steuerverhalten aufweisen kann. Dieses Problem wird bei der bekannten Schaltung
durch Hinzufügen eines zusätzlichen Kondensators gelöst. Ein Nachteil dieser Lösung ist,
dass ein zusätzlicher Kondensator notwendig ist. Dies ist besonders nachteilig, wenn der
Oszillator in einer integrierten Schaltung verwendet wird, weil dann die für den Oszillator
benötigte Chipfläche deutlich erhöht wird.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Schaltung ist, dass die maximal
erreichbare Amplitude des Ausgangssignals an der Ausgangsklemme des Oszillators infolge der
Verwendung der Hilfsschaltung unnötig beschränkt ist.
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Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, einen Oszillator mit einer
Startschaltung zu verschaffen, die die oben genannten Nachteile beseitigt.
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Ein erfindungsgemäßer Oszillator ist dadurch gekennzeichnet, dass die
Startschaltung ein Differenzpaar umfasst, das aus einem ersten Transistor mit einer mit der
Eingangsklemme gekoppelten ersten Hauptelektrode, einer mit Strom generierenden
Mitteln gekoppelten zweiten Hauptelektrode und einer mit einer Bezugsklemme gekoppelten
Steuerelektrode und aus einem zweiten Transistor mit einer mit der ersten Speiseklemme
gekoppelten ersten Hauptelektrode, einer mit der zweiten Hauptelektrode des ersten
Transistors gekoppelten zweiten Hauptelektrode und einer mit einer gemeinsamen Klemme
gekoppelten Steuerelektrode besteht.
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Um die Verstärkung des Verstärkers weiter zu erhöhen, kann der Verstärker
einen weiteren Verstärkungstransistor mit einer mit der Ausgangsklemme gekoppelten
ersten Hauptelektrode, einer mit der zweiten Speiseklemme gekoppelten zweiten
Hauptelektrode und einer mit einer weiteren Eingangsklemme gekoppelten Steuerelektrode umfassen.
Die Transkonduktanz des Verstärker ist dann gleich der Summe der Transkonduktanzen des
Verstärkungstransistors und des weiteren Verstärkungstransistors. Um zu verhindern, dass
der weitere Verstärkungstransistor überlastet wird, sodass der Oszillator nicht starten kann,
sollte der Oszillator dann eine weitere Startschaltung umfassen. Die weitere Startschaltung
kann in ähnlicher Weise wie die Startschaltung konstruiert sein.
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Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Oszillators ist
dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator außerdem einen Amplitudenregler zum Regeln
der Amplitude des Oszillatorsignals an der Ausgangsklemme umfasst. Der
Amplitudenregler kann einen dritten Transistor mit einer ersten Hauptelektrode, einer mit der
Ausgangsklemme gekoppelten zweiten Hauptelektrode und einer mit einer
Amplitudenbezugsklemme gekoppelten Steuerelektrode; einen vierten Transistor mit einer mit der ersten
Hauptelektrode des dritten Transistors gekoppelten ersten Hauptelektrode, einer mit der
Eingangsklemme gekoppelten zweiten Hauptelektrode und einer Steuerelektrode sowie
einen zwischen die Ausgangsklemme und die Steuerelektrode des vierten Transistors
gekoppelten
Voreinstellkondensator und einen zwischen der ersten Speiseklemme und der
Steuerelektrode des vierten Transistors gekoppelten Spannungsbegrenzer umfassen. Die
Amplitude des Ausgangssignals an der Ausgangsklemme kann durch Spannung erzeugende
Mittel gesteuert werden, die mit der Amplitudenbezugsklemme gekoppelt sind. Wenn der
Oszillator außerdem mit dem weiteren Verstärkungstransistor versehen ist, kann der
Oszillator einen weiteren Amplitudenregler umfassen. Der weitere Amplitudenregler kann in
ähnlicher Weise wie der Amplitudenregler aufgebaut sein. Wenn der weitere
Amplitudenregler durch weitere Spannung erzeugende Mittel gesteuert wird, die mit einer weiteren
Amplitudenbezugsklemme gekoppelt sind, können die positiven und negativen Spitzen des
Ausgangssignals an der Ausgangsklemme separat gesteuert werden. Auf Wunsch können
die weiteren Spannung erzeugenden Mittel und die weitere Amplitudenbezugsklemme
weggelassen werden. Der weitere Amplitudenregler sollte dann mit der
Amplitudenbezugsklemme gekoppelt werden. Sowohl die positiven als auch die negativen Spitzen des
Ausgangssignals an der Ausgangsklemme werden in diesem Fall durch die Spannung
erzeugenden Mittel gesteuert.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform eines Oszillators mit einer
Startschaltung gemäß der Erfindung und
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Fig. 2 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Oszillators mit
einem Amplitudenregler gemäß der Erfindung.
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Gleiche Komponenten oder Elemente haben in dieser Zeichnung gleiche
Bezugszeichen. Die Transistoren sind als Beispiel hier als Feldeffekttransistoren
ausgeführt, wobei die Drains, Sources, und Gates den ersten Hauptelektroden, den zweiten
Hauptelektroden bzw. den Steuerelektroden entsprechen. Die Transistoren können auch
Bipolartransistoren sein. Statt der angegebenen Leitungstypen können die Transistoren
auch die entgegengesetzten Leitungstypen haben. Auch eine Kombination von
Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren ist möglich. Die Polaritäten von Spannung erzeugenden
oder Strom generierenden Mitteln müssen notwendigenfalls angepasst werden. Der
Oszillator kann sowohl in einer integrierten Schaltung als auch mit Hilfe von diskreten
Bauelementen realisiert werden.
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Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines Oszillators mit einer Startschaltung
UP1 gemäß der Erfindung. Der Oszillator umfasst einen Verstärker AMP mit einer ersten
und einer zweiten Speiseklemme 1, 2, einen Verstärkungstransistor T0, dessen Drain D0
mit einer Ausgangsklemme 3, dessen Source S0 mit der ersten Speiseklemme 1 und dessen
Gate G0 mit einer Eingangsklemme K1 gekoppelt ist; einen zwischen der Ausgangsklemme
3 und einer gemeinsamen Klemme KG angeschlossenen Resonator Q und einen zwischen
der Eingangsklemme K1 und der gemeinsamen Klemme KG angeschlossenen ersten
Kondensator C1; einen zwischen der Ausgangsklemme 3 und der ersten Speiseklemme 1
angeschlossenen zweiten Kondensator C2 und einen zwischen der gemeinsamen Klemme KG
und der ersten Speiseklemme 1 angeschlossenen dritten Kondensator C3. Die
Reihenschaltung aus dem Resonator Q und dem erste Kondensator C1 bildet eine
Rückkopplungspfad, der zusammen mit dem Verstärker AMP eine geschlossene Schleife bildet. Der
Resonator Q ist häufig mit einem Quarzkristall ausgeführt. Der zweite und der dritte
Kondensator C2, C3 dienen als Phasenschiebeelemente, sodass die Frequenz des Oszillators nahezu
gleich der Resonanzfrequenz des Resonators ist. Wenn der Resonator Q mit einem
Quarzkristall ausgeführt ist, können die Widerstandsverluste des Quarzkristalls während des
Startens des Oszillators so hoch sein, dass der Rückkopplungspfad nicht wirksam genug ist.
Aus diesem Grund kann es notwendig sein, ein Widerstandselement R parallel zu dem
Quarzkristall zu schalten. Dieses Widerstandselement R kann beispielsweise mit einem
Widerstand oder mit einer Diode ausgeführt sein. Es ist auch möglich, das
Widerstandselement R zwischen die Ausgangsklemme 3 und die Eingangsklemme K1 zu schalten.
Weiterhin ist zum Starten des Oszillators ein Strom generierendes Mittel oder eine
Stromquelle I1 mit dem Gate G0 des Verstärkungstransistors T0 gekoppelt. Trotzdem kann es
vorkommen, dass der Oszillator nicht startet. Dies liegt an folgendem Phänomen. Die
Stromquelle I1 lädt die Gate-Source-Kapazität des Verstärkungstransistors T0 immer mehr,
sodass zwischen der Source S0 und dem Gate G0 eine zunehmende Spannungsdifferenz
auftritt. Dies bringt den Verstärkungstransistor T0 immer mehr in den leitenden Zustand,
während gleichzeitig die Transkonduktanz des Verstärkungstransistors T0 immer mehr
ansteigt. Gleichzeitig wird die Spannungsdifferenz zwischen der Source S0 und der Drain D0
immer mehr abnehmen. Zu einem bestimmten Zeitpunkt ist die Spannungsdifferenz
zwischen der Source S0 und der Drain D0 so klein, dass der Verstärkungstransistor T0 den
gesättigten Zustand verlässt, sodass die Transkonduktanz des Verstärkungstransistors T0
steil abfällt. Wenn der Oszillator vor diesem Zeitpunkt nicht bereits gestartet wäre, wäre der
Oszillator infolge einer ungenügenden Transkonduktanz des Verstärkungstransistors T0
unfähig zu starten.
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Um sicher zu sein, dass der Oszillator startet, ist der erfindungsgemäße
Oszillator außerdem mit einer Startschaltung UP1 versehen, die ein Differenzpaar T1, T2
eines ersten Transistors T1 umfasst, dessen Drain D1 mit der Eingangsklemme K1, dessen
Source S1 mit der Stromquelle I1 und dessen Gate G1 mit einer Bezugsklemme REFl
gekoppelt ist, und einem zweiten Transistor T2, dessen Drain D2 mit der ersten
Speiseklemme 1, dessen Source S2 mit der Source S1 des ersten Transistors T1 und dessen Gate G2
mit der gemeinsamen Klemme KG gekoppelt ist. Außerdem kann ein
Spannungspegelschieber LEV1 in Reihe mit der Drain D1 des ersten Transistors T1 geschaltet sein.
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Die Startschaltung UP1 arbeitet folgendermaßen. Ein Spannung erzeugendes
Mittel liefert ein Potential an der Bezugsklemme REF1. Dieses Potential ist vorzugsweise
gleich der Hälfte des Potentials der ersten Speiseklemme 1. Anfangs fließt ein bestimmter
Anteil eines von der Stromquelle I1 gelieferten Stroms IS1 durch den ersten Transistor T 1.
Die Kombination aus der Startschaltung UP1, dem Verstärker AMP und der
Parallelschaltung aus dem Quarzkristall Q und dem Widerstandselement R bildet eine negative
Rücckopplungssteuerschleife, wodurch das Potential am Gate G2 des zweiten Transistors T2
nahezu gleich dem Potential an der Bezugsklemme REF 1 wird. Infolgedessen fließt die
Hälfte des Stroms IS1 daher durch den ersten Transistor T1, wodurch die Gate-Source-
Kapazität des Verstärkungstransistors T0 immer mehr geladen wird und der
Verstärkungstransistor T0 immer mehr leitend wird. Die Spannungsdifferenz zwischen der Drain
D1 und der Source S1 des ersten Transistors T1 nimmt kontinuierlich ab, bis der erste
Transistor T1 nicht mehr gesättigt ist. Der durch den ersten Transistor T1 fließende Strom
nimmt daher kontinuierlich ab. Dadurch wird die Gate-Source-Kapazität des
Verstärkungstransistors T0 nicht oder nahezu nicht weiter geladen. Bei einer geeigneten
Dimensionierung des Spannungspegelschiebers LEV1 verlässt der erste Transistor T1 den
gesättigten Zustand, bevor der Verstärkungstransistor T0 ungesättigt werden könnte. Hierdurch
wird gewährleistet, dass der Oszillator startet.
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Wenn der Oszillator schwingt, fließt der Strom IS1 abwechselnd durch den
ersten und den zweiten Transistor T1, T2. Infolge der negativen
Rückkopplungssteuerschleife UP1, AMP, Q, R sind die Gleichspannungskomponenten der Potentiale an der
gemeinsamen Klemme KG und der Ausgangsklemme 3 gleich dem Potential an der
Bezugsklemme REF 1.
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Wenn der Oszillator mit einem weiteren Verstärkungstransistor T0V
aufgebaut ist, dessen Drain D0V mit der Ausgangsklemme 3; dessen Source S0V mit der zweiten
Speiseklemme 2 und dessen Gate G0V mit einer weiteren Eingangsklemme K2 gekoppelt
ist, muss der Oszillator außerdem eine weitere Startschaltung UP2 und einen vierten
Kondensator C4 umfassen, der zwischen der gemeinsamen Klemme KG und der weiteren
Eingangsklemme K2 angeschlossen ist, um das Starten des Oszillators zu gewährleisten. Die
weitere Startschaltung UP2 kann in einer der Startschaltung UP1 entsprechenden Weise
aufgebaut sein.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Amplitudenreglers AMPREG, der
in dem erfindungsgemäßen Oszillator verwendet werden kann. Der Amplitudenregler
AMPREG umfasst einen dritten Transistor T3, dessen Source S3 mit der Ausgangsklemme
3 und dessen Gate G3 mit einer Amplitudenbezugsklemme AMPREF gekoppelt ist; einen
vierten Transistor T4, dessen Drain D4 mit der Drain D3 des dritten Transistors T3 und
dessen Source S4 mit der Eingangsklemme K1 gekoppelt ist; einen zwischen die
Ausgangsklemme 3 und das Gate G4 des vierten Transistors T4 gekoppelten
Voreinstellkondensator C1 und einen zwischen die erste Speiseklemme 1 und das Gate G4 des vierten
Transistors T4 gekoppelten Spannungsbegrenzer VLIM. Die Funktionsweise des
Amplitudenreglers AMPREG ist folgendermaßen. Als Beispiel sei angenommen, dass: das Potential
an der ersten Speiseklemme 1 höher ist als das Potential an der zweiten Speiseklemme 2,
der Verstärkungstransistor T0 und der dritte Transistor T3 p-Feldeffekttransistoren sind und
der vierte Transistor T4 ein n-Feldeffekttransistor ist. Es ist möglich, die Amplitude der
positiven Hälfte des Oszillatorsignals an der Ausgangsklemme 3 mit Hilfe des
Amplitudenregler AMPREG durch Verwendung eines Spannung generierenden Mittels zu regeln, das
eine Spannung an die Amplitudenbezugsklemme AMPREF liefert. Wenn das Potential an
der Ausgangsklemme 3 um mehr als eine Schwellenspannung VT3 des dritten Transistors
T3 höher ist als das Potential an der Amplitudenbezugsklemme AMPREF, wird der dritte
Transistor T3 leitend, sodass ein Strom von der Ausgangsklemme 3 durch den dritten und
den vierten Transistor T3 und T4 zur Eingangsklemme K1 fließt. Hierdurch nimmt das
Potential an der Eingangsklemme K1 zu, sodass der durch den Verstärkungstransistor T0
fließende Strom abnimmt. Infolgedessen nimmt das Potential an der Ausgangsklemme 3 ab,
bis das Potential an der Ausgangsklemme 3 so niedrig geworden ist, dass die
Potentialdifferenz zwischen der Ausgangsklemme 3 und der Amplitudenbezugsklemme AMPREF gleich
der Schwellenspannung VT3 des dritten Transistors T3 ist. Nur während der positiven
Spitzen des Ausgangssignals an der Ausgangsklemme 3 fließt ein kleiner Strom durch den
dritten und den vierten Transistor T3, T4t; daher führt der Amplitudenregler AMPREG
seine Regelung während der positiven Spitzen des Ausgangssignals aus. Da der vierte
Transistor T4 während der positive Spitzen des Ausgangssignals leitend sein muss, ist es
notwendig, dass während der positiven Spitzen das Potential am Gate G4 um zumindest
eine Schwellenspannung VT4 des vierten Transistors T4 höher ist als das Potential an der
Source S4. Dies wird durch eine Kopplung des Gate G4 mit der Ausgangsklemme 3 über
den Voreinstellkondensator C1 erreicht. Da das Signal an der Ausgangsklemme 3 in
Gegenphase zum Signal an der gemeinsamen Klemme KG ist, gibt es zwischen dem Gate G4
und der Source S4 des vierten Transistors T4 während der positiven Spitzen des Signals an
der Ausgangsklemme 3 eine genügend große Potentialdifferenz, sodass der vierte
Transistor T4 leitend ist.
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Der Spannungsbegrenzer VLIM begrenzt die Signalspannung am Gate G4
des vierten Transistors T4, sodass verhindert wird, dass die Source- und Drainfunktionen
des vierten Transistors T4 verwechselt sein könnten, wodurch Strom von der
Eingangsklemme K1 durch den vierten und den dritten Transistor T4 und T3 zur Ausgangsklemme 3
fließen könnte.