-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator mit einem
ersten Verstärkerelement, das
eine Steuerklemme und ein Hauptstromstreckenende in einer ersten
und einer zweiten Ausgangsklemme hat, wobei der Oszillator ein Netzwerk
aufweist, durch das die erste Ausgangsklemme des ersten Verstärkerelementes
zu der Steuerklemme des ersten Verstärkerelementes zurückgekoppelt
wird, und zwar durch ein in Reihe geschaltetes piezoelektrisches
Schwingungselement und wobei der Oszillator ein erstes Ausgangsdipol
aufweist, das mit der ersten Ausgangsklemme des ersten Verstärkerelementes
gekoppelt ist, und ein den DC-Strom definierendes Element aufweist,
das mit der zweiten Ausgangsklemme des ersten Verstärkerelementes
gekoppelt ist, und wobei der Oszillator weiterhin ein zweites Verstärkerelement
aufweist, das ein Hauptstromstreckenende in einer zweiten Ausgangsklemme
aufweist, wobei diese zweite Ausgangsklemme des zweiten Verstärkerelementes
mit der zweiten Ausgangsklemme des ersten Verstärkerelementes gekoppelt ist,
und wobei eine erste Ausgangsklemme des zweiten Verstärkerelementes,
in der die andere Seite der Hauptstromstrecke des zweiten Verstärkerelementes
endet, mit einem zweiten Ausgangsdipol gekoppelt ist.
-
Aus
der Monographie "Oscillator
Design Handbook" von
Gary A. Breed, veröffentlicht
1990 von "Cardiff
Pblishing Company",
insbesondere Seiten 55 bis 60, sind verschiedene Typen Kristalloszillatoren
bekannt. Ein sog. "Pierce" Oszillator hat in
der einfachsten Ausführungsform
einen npn-Transistor als Verstärkerelement,
dessen Kollektor-Elektrode und
dessen Basis-Elektrode über
einen Kristall (Quarzkristall) miteinander gekoppelt sind. Die Kollektor-Elektrode
ist weiterhin über
einen Induktor mit einer positiven Speisespannungsklemme verbunden und
stellt den Ausgang des "Pierce" Oszillators dar. Weiterhin
sind nach Erde verbunden die Kollektor-Elektrode des Transistors,
und zwar über
einen ersten Kondensator, der abstimmbar sein kann, die Basis-Elektrode, über einen
zweiten Kondensator und die Emitter-Elektrode des Transistors über die Parallelschaltung
eines Emitterwiderstandes mit einer sehr großen Kapazität. Die Basis-Elektrode ist weiterhin über einen
Vorschaltwiderstand mit der positiven Speisespannungsklemme verbunden.
In einer Modifikation kann eine parallele Resonanzschaltung mit
einem Induktor und einem – abstimmbar
vorgesehenen – Kondensator
die Stelle des Induktors bei der Kollektor- Elektrode einnehmen. Diese Antiresonanzschaltung
kann auf die Oszillationsfrequenz des Kristalls abgestimmt werden.
-
Dieser "Pierce" Oszillator ist zwar
bezeichnet als ein Oszillator mit der besten Frequenzstabilität der in
dem Buch "Oscillator
Design Handbook" beschriebenen
Kristalloszillatoren, aber für
eine miniaturisierte Integration auf einem Halbleiterkörper ist der
sehr große
Kondensator in der Emitterschaltung, d. h. zwischen dem Emitter
und Erde, sehr störend, weil
er einen außerproportional
großen
Raum auf dem Halbleiterkörper
beansprucht. Dies bildet ein großes Hindernis bei der Konstruktion,
insbesondere für
kleine, leichte elektronische Anordnungen, beispielsweise Funkrufempfänger (Pager).
-
Weiterhin
beschreibt US-A-5 166 645 einen differenziellen Mischoszillator,
der einen Oszillator in einer differenziellen Paarkonfiguration
als Unterstützungsverstärker für einen
Quarzkristallresonator implementiert und EP-A-0 358 299 beschreibt
einen Oszillator zum Erzeugen eines Oszillationssignals mit reduzierten
Harmonischen.
-
Es
ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Oszillator,
insbesondere einen sog. "Pierce" Oszillator der oben
beschriebenen Art zu schaffen, und zwar derart, dass auf den beschriebenen
sehr großen
Kondensator verzichtet werden kann.
-
Diese
Aufgabe wird erfüllt
in einem Oszillator nach der vorliegenden Erfindung, wie in Anspruch
1 definiert.
-
Im
Gegensatz zu dem bekannten "Pierce" Oszillator ist der
sehr große
Kondensator in dem Oszillator nach der vorliegenden Erfindung, wobei
dieser Kondensator dazu dient, für
die Frequenz des Oszillators einen Kurzschluss nach Erde zu bilden, durch
die Impedanz der (zweiten) Ausgangsklemme des zweiten Verstärkerelementes
ersetzt worden. Diese Impedanz kann mit Hilfe einfacher technischer Maßnahmen
für die
Oszillatorfrequenz auf einen niederohmigen Wert gesetzt werden,
so dass mit der Oszillatoranordnung nach der vorliegenden Erfindung
wenigstens im Wesentlichen eine HF-Kurzschlussschaltung an der zweiten
Ausgangsklemme des ersten Verstärkerelementes
erzielt wird. Diese HF-Kurzschlussschaltung sorgt dafür, dass
das Element, das den DC-Strom definiert, umgangen wird, wobei dieses
Element mit der zweiten Ausgangsklemme verbunden und für die Oszillatorfrequenz hochohmig
ist. In dem Stand der Technik ist der Emitterwiderstand als ein
Element eingefügt,
das den DC-Strom definiert; aber eine Stromquellenschaltung kann
diese Stelle auch einnehmen. In dem Oszillator nach der vorliegenden
Erfindung ist die Reihenschaltung aus dem ersten Ausgangsdipol,
dem ersten Verstärkerelement
und dem den DC-Strom definierenden Element aus einer Speisespannungsquelle
ermöglicht,
und zwar über
das den DC-Strom definierende Element.
-
Die
Verstärkerelemente
können
vorzugsweise identisch vorgesehen werden, so dass eine symmetrische
Anordnung der Verstärkerelemente
(einen symmetrischen Verstärker)
erhalten wird. Mit einer derartigen Anordnung können die HF-Ströme, die
als Ergebnis der Schwingung des Oszillators fließen, wobei diese Ströme im Falle
eines bekannten "Pierce" Oszillators über die
Speisespannungsquelle fließen,
können
durch diese Speisespannungsquelle stark verzögert werden. Da in dieser Gegentaktanordnung
der Verstärkerelemente
des Oszillators nach der vorliegenden Erfindung die HF-Ströme nicht länger durch
die Speisespannungsquelle fließen, kann Übersprechen
der Schwingung in anderen Schaltungsteilen, mit denen der Oszillator
eine gemeinsame Speisespannungsquelle haben kann, vermieden werden.
Der Rauschwiderstand derartiger Anordnungen wird dadurch wesentlich
verbessert.
-
Bei üblicher
Bemessung kann eine nur wenig höhere
Impedanz für
die HF-Ströme an der
(zweiten) Ausgangsklemme des zweiten Verstärkerelementes erhalten werden
als mit einem sehr großen
Kondensator. Diese vergrößerte Impedanz
reduziert die Schleifenverstärkung
des Oszillators im Vergleich zu dem bekannten "Pierce" Oszillator, so dass wenn der sehr große Kondensator
durch das zweite Verstärkerelement
ersetzt wird, ein verzögertes
Schwingungsverhältnis
auftreten kann, d. h. die Zeitperiode zwischen der Zuführung von
Energie aus der Speisespannungsquelle zu dem Oszillator und dem
Erreichen des Übergangszustandes
des Oszillators kann verlängert
werden. Die Schleifenverstärkung
des Oszillators wird ebenfalls durch die Qualität beeinflusst, d. h. das Verhältnis zwischen
dem ohmschen Teil und dem Reaktanzteil des (ersten) Ausgangsdipols,
und zwar beispielsweise durch die Qualität des bekannten mit dem Kollektor
des Transistors verbundenen Induktors. Diese Qualität kann aber
nicht immer beliebig selektiert werden um eine reduzierte Schleifenverstärkung zu
kompensieren. Im Gegenteil, es gibt die Möglichkeit, den durch das den
DC-Strom definierende Element fließenden DC-Strom zur Reduktion der
Schleifenverstärkung
zu kompensieren. Diese Maßnahme
sorgt aber dafür,
dass die Speisespannungsquelle und ein wesentlicher Teil des Oszillators schwerer
belastet werden.
-
Für die beschriebenen
elektronischen Anordnungen, insbesondere für Funkrufempfänger (Pager),
Mobiltelefone und dergleichen sind aber Oszillatoren erforderlich,
die nicht nur eine hohe Frequenzstabilität haben sollen, sondern auch
eine sehr kurze Über gangsperiode
(eine Zeitperiode zwischen dem Zuführen der Energie aus der Speisespannungsquelle
und dem Erreichen eines stabilen Zustandes des Oszillators) und
einen geringen Energieverbrauch. So wird beispielsweise ein Funkrufempfänger in
bestimmen Zyklen ein- und abgeschaltet um Strom aus der Speisespannungsquelle,
insbesondere einer Batterie, zu sparen. Nach Einschaltung muss der
Funkrufempfänger
bereit sein innerhalb einiger Millisekunden zu empfangen. Diese
Zeitperiode wird im Wesentlichen durch das Übergangsverhalten des Oszillators
bestimmt. Einerseits wird der Energieverbrauch durch eine Reduktion
der Einschaltzeit reduziert, andererseits wird die Leistungsfähigkeit
des Funkrufempfängers
verbessert. Weiterhin soll der Oszillator einen geringen Energieverbrauch
haben, nicht nur während
der Übergangsperiode,
sondern auch während
des nächsten
Vorgangs um die Speisespannungsquelle auf ein Minimum zu belasten.
Diese Speisespannungsquelle, beispielsweise eine Batterie, kann
klein und leicht entworfen werden, so dass eine wesentliche Reduktion
der Größe und eine
Reduktion des Gewichtes eines derartigen Pagers (oder einer anderen
batteriegespeisten elektronischen Anordnung) möglich wird.
-
In
einem Oszillator, der für
diese elektronischen Anordnungen verwendet wird, soll eine sehr kurze Übergangsperiode
und ein sehr geringer Energieverbrauch angestrebt werden. Nach einer
weiteren Ausführungsform
des Oszillators nach der vorliegenden Erfindung wird dies dadurch
erreicht, dass eine Steuerklemme des zweiten Verstärkerelementes
mit der ersten Ausgangsklemme des ersten Verstärkerelementes gekoppelt ist.
-
Bei
dieser weiteren Ausführungsform
nach der vorliegenden Erfindung ist die Steuerklemme des zweiten
Verstärkerelementes
in der Rückkopplung des
Oszillators vorgesehen (von der ersten Ausgangsklemme des ersten
Verstärkerelementes
zu der Steuerklemme des ersten Verstärkerelementes). Diese Rückkopplung
ist als eine positive Rückkopplung
wirksam, durch welche die Schleifenverstärkung des Oszillators gesteigert
wird und der DC-Strom in dem den DC-Strom definierenden Element
nicht geändert
wird und folglich auch die Amplitude der Schwingung gesteigert wird.
Der Effekt der Impedanz der (zweiten) Ausgangsklemme des zweiten
Verstärkerelementes
wird dadurch kompensiert, ohne dass eine stärkere Belastung der Speisespannungsquelle und
des Oszillators verursacht wird.
-
An
dieser Stelle dürfte
es einleuchten, dass aus dem Artikel "Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, Heft
8, Springer Verlag, 1986, sind emittergekoppelte Oszillatoren mit npn-Transistoren
bekannt. Der Kollektor eines der Tran sistoren wird dann unmittelbar
mit der Basis des anderen Transistors verbunden und über eine LC-Sperrschaltung
einem Bezugspotential zugeführt. Die
Schaltungsanordnung umfasst keinen Quarzkristall. Ein emittergekoppelter
Oszillator mit Kristallstabilisierung umfasst eine Kopplung des
Kollektors des einen Transistors über eine zusätzliche
Verstärkerstufe
und den Quarzkristall mit der Basis des anderen Transistors, mit
dem auch die LC-Sperrschaltung verbunden
ist. Keine dieser Anordnungen entspricht dem Oszillator nach der
vorliegenden Erfindung und deswegen hat dadurch auch nicht die Vorteile
desselben.
-
In
der Ausführungsform
des Oszillators nach der vorliegenden Erfindung ist eine erste Ausgangsklemme
des zweiten Verstärkerelementes,
an der die andere Seite der Hauptstromstrecke des zweiten Verstärkerelementes
endet, mit einem zweiten Ausgangsdipol gekoppelt. Auf diese Weise
wird durch die Hauptstromstrecke dieses zweiten Verstärkerelementes
und den zweiten Ausgangsdipol eine Reihenschaltung gebildet. Auf
vorteilhafte Weise kann die Reihenschaltung zu der Reihenschaltung
aus der Hauptstromstrecke des ersten Verstärkerelementes und dem ersten
Ausgangsdipol zwischen einer Speisespannungsklemme und dem den DC
Strom definierenden Element parallel geschaltet werden. Im Vergleich
zu dem "Pierce" Oszillator kann
eine von dem Oszillator nach der vorliegenden Erfindung zu erzeugende
Schwingung auch dem zweiten Ausgangdipol entnommen werden.
-
Mit
dem "Pierce" Oszillator nach
dem Stand der Technik soll berücksichtigt
werden, dass die als Ausgangsdipol zu verwendende Sperrschaltung
auf die Schwingungsfrequenz des piezoelektrischen Schwingungselementes
abgestimmt werden soll. Dies reduziert die Anwendungsmöglichkeit
des "Pierce" Oszillators für den HF-Gebrauch
da HF-Schwingungen
nur mit zusätzlichen
Schaltungsanordnungen erzeugt werden können, wobei diese Schwingungen
von Vielfachen der Schwingungsfrequenz des piezoelektrischen Schwingungselementes hergeleitet
werden können.
Zum Erhalten einer Schwingung mit einem Vielfachen der Schwingungsfrequenz
des piezoelektrischen Schwingungselementes soll dem bekannten "Pierce" Oszillator ein Frequenzvervielfacher
nachgeschaltet werden. Die nachfolgende Schaltungsanordnung und
der Energieverbrauch ist die die genannten leichten elektronischen
Anordnungen unerwünscht.
-
Die
Ausführungsform
des Oszillators nach der vorliegenden Erfindung, wobei die Ausgangsdipole
als Sperrschaltungen ausgebildet sind, bietet die Möglichkeit
der Erzeugung von HF-Schwingungen mit einer sehr kleinen Schaltungsanordnung. Dazu
wird der erste Ausgangsdipol auf die Frequenz einer ersten harmonischen
Schwingung oder einer harmonischen Schwingung der piezoelektrischen Schwingung
abgestimmt und der zweite Ausgangdipol wird auf eine Harmonische
der Resonanzfrequenz des ersten Ausgangsdipols abgestimmt. Die erste
harmonische Schwingung der piezoelektrischen Schwingungsschaltung
ist dann die Schwingung des nicht verbundenen piezoelektrischen Schwingungselementes.
-
Mit
dieser Ausführungsform
ist es möglich, auf
eine einfache Art und Weise eine Schwingung mit einer sehr hohen
Frequenz von einem piezoelektrischen Schwingungselement herzuleiten,
das eine erste harmonischen Schwingung einer relativ niedrigen Frequenz
hat. Dazu wird die Oszillatorschleife, d. h. die Schaltungselemente
des Oszillators, die in der Rückkopplungsstrecke
von der ersten Ausgangsklemme des ersten Verstärkerelementes zu der Steuerklemme
liegen, auf die gewünschte
Schwingungsfrequenz des piezoelektrischen Schwingungselementes abgestimmt.
Nebst dem piezoelektrischen Schwingungselement selbst gehören auch
der erste Ausgangsdipol und das Netzwerk mit dem piezoelektrischen
Schwingungselement dazu. Insbesondere kann der erste Dipol, wie
bereits erwähnt,
in seiner Funktion als Sperrschaltung, auf die Schwingungsfrequenz
des piezoelektrischen Schwingungselementes abgestimmt werden, weil
sonst die Schwingung der ersten Ausgangsklemme des ersten Verstärkerelementes über die
Speisespannungsquelle kurzgeschlossen wird, wodurch die Rückkopplung verschlechtert
wird. Das erste Verstärkerelement kann
dann vorzugsweise auf volle Kapazität betrieben werden, vorzugsweise
bis in nicht lineare Gebiete der Übertragungsfunktion, d. h.
der Funktion zwischen den Signalen an der Steuerklemme und an den
Ausgangsklemmen. Dies beeinflusst die Erzeugung harmonischer Schwingungen
auf günstige
Weise, d. h. Harmonische der ersten harmonischen Schwingung des
nicht verbundenen piezoelektrischen Schwingungselementes.
-
Der
Schaltungszweig mit der Hauptstromstrecke des zweiten Verstärkerelementes
und des zweiten Ausgangsdipols wird von der Schleife mit der Rückkopplung über das
erste Verstärkerelement
und das Netzwerk entkoppelt. Dadurch wird geschaffen, dass der zweite
Ausgangsdipol auf dieselbe Frequenz wie der erste Ausgangsdipol
und auf eine Harmonische derselben abgestimmt werden kann, und zwar
ohne verschlechternde Effekte auf das Operationsverhalten des Oszillators.
Deswegen kann bei geeigneter Abstimmung eine harmonische Schwingung der
Schwingungsfrequenz des piezoelektrischen Schwingungselementes und
folglich des ersten Ausgangsdipols dem zweiten Ausgangsdipol ent nommen
werden. Da der zweite Ausgangsdipol auch auf die Frequenz der ersten
harmonischen Schwingung des piezoelektrischen Schwingungselementes
in dem nicht verbundenen Zustand oder auf die Frequenz des Oszillators,
d. h. die Resonanzfrequenz des ersten Ausgangsdipols ohne nachteilige
Effekte auf das operationelle Verhalten des Oszillators abgestimmt
werden kann, können
Schwingungen auch dem zweiten Ausgangsdipol mit diesen Frequenzen entnommen
werden.
-
Die
durch die Verstärkerelemente
des Oszillators nach der vorliegenden Erfindung gebildete Gegentaktanordnung
erzeugt vorwiegend ungerade Harmonische des Schwingungsfrequenz
des piezoelektrischen Schwingungselementes in dem Fall identischer
Zweige, die über
die Hauptstromstrecken und die Ausgangsdipole laufen, d. h. ungerade
Harmonische der Schwingungsfrequenz, mit denen das piezoelektrische
Schwingungselement schwingt, wenn der Oszillator im Betrieb ist.
Nur durch Asymmetrien in der Struktur oder in der Bemessung werden
auch gerade Harmonische auftreten, weil die Verstärkerelemente
auf eine nicht lineare Weise zur vollen Kapazität betrieben werden. Wenn andererseits
eine derartige gerade Harmonische erzeugt werden soll, wird nach
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein Überbrückungselement
zu dem den DC Strom definierenden Element parallel geschaltet. Für die Schwingung,
auf die der zweite Ausgangsdipol abgestimmt ist und in diesem Fall
eine gerade Harmonische Darstellt, ist dies ein niederohmiges Überbrückungselement.
Auf vorteilhafte Weise wird dieses Überbrückungselement durch einen Kondensator
gebildet aber es kann auch als ein ohmscher Widerstand oder als
RC-Element ausgebildet sein.
-
In
einer Abwandlung der genannten weiteren Ausführungsform des Oszillators
nach der vorliegenden Erfindung wird das Überbrückungselement zwischen die
zweiten Ausgangsklemmen der Verstärkerelemente und diejenigen
Pole des Ausgangsdipols eingefügt,
die von den Verstärkerelementen
abgewandt sind. Verglichen mit einer direkten Parallelschaltung
mit dem den DC Strom definierenden Element gibt es den Vorteil,
dass auch die geraden harmonischen HF-Ströme, die durch das Überbrückungselement
fließen,
von der Speisespannungsquelle fern gehalten werden; die Schaltungsanordnung
für diese
Ströme
wird durch die Verstärkerelemente
und die Ausgangsdipole über
das Überbrückungselement
geschlossen, und zwar ohne die Einfügung der Speisespannungsquelle.
Die Überbrückungselemente
können
uneingeschränkter
bemessen werden und können
insbe sondere einen mehr niederohmigen Entwurf haben, ohne dass dies
zu einem zusätzlichen Übersprechen
von HF-Strömen
in der Speisespannungsquelle führt.
-
Das
Netzwerk, durch das die Rückkopplung zu
dm ersten Verstärkerelement
in dem Oszillator nach der vorliegenden Erfindung verwirklicht wird, umfasst
vorzugsweise zwei kapazitive Dipole, von denen ein erster Dipol
einerseits mit der Steuerklemme verbunden ist, und von denen der
zweite Dipol einerseits mit der ersten Ausgangsklemme des ersten Verstärkerelementes
verbunden ist und die andererseits mit einem den DC Strom definierenden
Elementpol verbunden sind, der von dem ersten Verstärkerelement
abgewandt ist. Vorzugsweise sind der zweite kapazitive Dipol und
diese kapazitiven Dipole, die im Wesentlichen bereits in dem "Pierce" Oszillator vorhanden
sind, abstimmbar vorgesehen. Eventuell kann der erste Ausgangsdipol
ein kapazitives Element enthalten, das abstimmbar vorgesehen ist.
-
Die
Resonanzfrequenz des Ausgangsdipols und folglich die Schwingungsfrequenz
des Oszillators kann dadurch eingestellt werden, dass der zweite
kapazitive Dipol des Netzwerkes oder das kapazitive Element in dem
ersten Ausgangsdipol abgestimmt wird. Diese Einstellung oder ein "Ziehen" der Frequenz des
Oszillators kann auch über
ein Stellsignal dadurch elektronisch erreicht werden, dass der zweite
kapazitive Dipol des Netzwerkes oder das kapazitive Element in dem
ersten Dipol gebildet wird.
-
Ein
Vergleich zwischen dem bekannten "Pierce" Oszillator mit dem Oszillator nach
der vorliegenden Erfindung zeigt, dass der "Pierce" Oszillator eine maximale Rückkopplung
gibt und folglich eine maximale Schwingungsamplitude, wenn die Impedanz
des piezoelektrischen Schwingungselementes minimiert wird. Im Gegensatz
dazu tritt die größte Schwingungsamplitude
zwischen den Steuerklemmen der Verstärkerelemente in dem Oszillator
nach der vorliegenden Erfindung auf, wenn die Impedanz des piezoelektrischen
Schwingungselementes den höchsten
Wert annimmt, während
diese Impedanz die Steuerklemmen der Verstärkerelemente kurzschließt, wenn
sie minimiert wird. Dies bedeutet, dass wenn ein Quarzkristall als
piezoelektrisches Schwingungselement verwendet wird, der "Pierce" Oszillator mit der
Reihenresonanz der Schwingungsschaltung schwingt, während der
Oszillator nach der vorliegenden Erfindung mit der Parallelresonanz
des Quarzkristalls schwingt. Aus "Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze und
Ch. Schenk, Heft 8, 1986, Abschnitt 15.2.1 ist es bekannt, dass
die Schwingungsfrequenz eines Quarzkristalls dadurch gezogen werden
kann, dass zwischen der Reihenresonanz und der Parallelresonanz ganz
einfach ein Kondensator vorgesehen wird. Die Parallelresonanz ist dann
weitgehend abhängig
von dem Gehäusekondensator
des Quarzkristalls und wird auf diese Weise Herstellungstoleranzen
ausgesetzt.
-
Auf
alternative Weise kann der Oszillator nach der vorliegenden Erfindung
in einer einfachen HF-Ersatzschaltung als eine Kombination eines
Verstärkers
betrachtet werden, der einen negativen internen Widerstand an dem
Ausgang hat und eine Reaktanz als Lastwiderstand, während diese
Reaktanz im Allgemeinen als eine kapazitive Belastung vorgesehen
ist. Der Wert dieser kapazitiven Belastung in der Ersatzschaltung
wird durch die Anzahl und die Position der Pole der Übertragungsfunktion
der Oszillatorschleife bestimmt. Die Kapazitive Belastung wird dann
größer sein
als die Grenzfrequenzen, wenn diese Ersatzschaltung niedriger ist.
Im Gegensatz dazu wird die Schwingungsfrequenz der Schaltungsanordnung
reduziert, wenn die kapazitive Belastung in dieser Ersatzschaltung
gesteigert wird.
-
Die
Parallelresonanzfrequenz in dem Quarzkristall ist höher als
die Reihenresonanzfrequenz. Auf diese Weise werden, wenn ein Oszillator
mit einem Quarzkristall als Ergebnis verschiedener kapazitiver Lasten
verschiedene Frequenzen annehmen kann, diese Frequenzen einerseits ändern, und
zwar nur zwischen der Reihenresonanzfrequenz und der Parallelresonanzfrequenz
und andererseits wird bei einer geringen kapazitiven Last der Oszillator
in der Nähe
der Parallelresonanzfrequenz schwingen, d. h. in der Nähe der höheren Frequenz.
In dem Fall, d. h. bei einer geringen kapazitiven Last, ist die
Frequenz des Oszillators weitgehend abhängig von den Toleranzen des
Gehäusekondensators
des Quarzkristalls.
-
Eine
derartige Toleranz der Schwingungsfrequenz ist für die meisten Applikationen
des Oszillators nach der vorliegenden Erfindung unakzeptierbar. So
soll beispielsweise für
die Verwendung in Funkrufempfängern,
in Mobiltelefonen usw. die einzustellende Schwingungsfrequenz genau
dazu gehören.
Dies bedeutet, dass ein sehr genau hergestellter und folglich sehr
teurer Quarzkristall verwendet werden soll, oder dass es eine Möglichkeit
geben soll, den Oszillator nach der vorliegenden Erfindung innerhalb
eines bestimmten Frequenzbereichs zu konfigurieren um Herstellungstoleranzen
zu kompensieren. Vorzugsweise kann diese Einstellung bei dem Oszillator nach
der vorliegenden Erfindung durch eine Abstimmung des zweiten kapazitiven
Dipols des Netzwerkes und/oder des kapazitiven Elementes in dem
ersten Ausgangsdipol effektuiert werden. Der zweite kapazi tive Dipol
oder das kapazitive Element kann dann als Abgleichkondensator verwendet
werden.
-
Um
noch unabhängiger
von den genannten Toleranzen des Gehäusekondensators eines Quarzkristalls
zu werden, ist es bei dem Oszillator nach der vorliegenden Erfindung
erwünscht,
die Schwingungsfrequenz möglichst
nahe bei der Reihenresonanz des Quarzkristalls zu wählen und
folglich auch den Frequenzbereich in dem der Oszillator nach der vorliegenden
Erfindung einstellbar sein soll, möglichst nahe bei der Reihenresonanzfrequenz
des Quarzkristalls zu wählen.
Es stellt sich heraus, dass dies nur möglich ist, wenn die Kapazität des ersten kapazitiven
Dipols des Netzwerkes gesteigert wird. Durch Steigerung dieser Kapazität wird die
Steuerklemme des ersten Verstärkerelementes
bei dem den DC Strom definieren Elementpol, der von dem ersten Verstärkerelement
abgewandt ist, zwar stärker
kurzgeschlossen, so dass eine Gegentaktsteuerung der Verstärkerelemente
gesteigert wird und folglich wird auch die Amplitude der Schwingung
des Oszillators gesteigert. Auf alternative Weise verringert die
Verstärkung
innerhalb der Rückkopplungsschleife,
die durch das piezoelektrische Schwingungselement und die Verbindung
zwischen der Steuerklemme und der ersten Ausgangsklemme gebildet
wird, auf entsprechende Weise. Wenn die Kapazität des ersten kapazitiven Dipols
des Netzwerkes gesteigert wird, wird ein Punkt überschritte, bei dem eine Schwingung,
die durch die Rückkopplung
von der ersten Ausgangsklemme des ersten Verstärkerelementes zu der Steuerklemme
des zweiten Verstärkerelementes
bestimmt wird, die Schwingung, die durch das piezoelektrische Schwingungselement
bestimmt wird, übertrifft.
Die Kapazität
in dem ersten kapazitiven Dipol des Netzwerkes kann auf diese Weise nicht
beliebig gesteigert werden.
-
Um
den Ziehbereich in Richtung der Reihenresonanz des Quarzkristalls
ohne Steigerung der Kapazität
des ersten kapazitiven Dipols des Netzwerkes mit dem Oszillator
nach der vorliegenden Erfindung zu verschieben und insbesondere
um die beschriebene Streuschwingung in der Schaltungsanordnung zwischen
der ersten Ausgangsklemme des ersten Verstärkerelementes und der Steuerklemme
des zweiten Verstärkerelementes
bestimmt auszuschließen
wird in die Rückkopplungsstrecke
von der ersten Ausgangsklemme des ersten Verstärkerelementes zu der Steuerklemme
desselben bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ein Tiefpasselement eingefügt, dessen Grenzfrequenz höher ist
als die Frequenz, auf die der erste Ausgangsdipol abgestimmt ist.
Durch eine entsprechende Selektion der Grenzfrequenz dieses Tiefpasselementes
kann die genannte Streuschwingung auf zuverlässige Art und Weise gedämpft werden.
-
Das
Einfügen
des Tiefpasselementes sorgt dafür,
dass die Übertragungsfunktion
der negativen Rückkopplungsschleife
des Oszillators nach der vorliegenden Erfindung in der HF-Ersatzschaltung
einen zusätzlichen
Pol und folglich eine zusätzliche
Phasenumkehrung hat. Dadurch kann die kapazitive Belastung in der
HF-Ersatzschaltung gesteigert werden, ohne dass die Kapazität des ersten
kapazitiven Dipols des Netzwerkes gesteigert wird. In dem Oszillator
nach der vorliegenden Erfindung entkoppelt das Tiefpasselement die
Schleife, die über
das piezoelektrische Schwingungselement von der Schleife läuft, die über die
erste Ausgangsklemme des ersten Verstärkerelementes und den Steuereingang
des zweiten Verstärkerelementes
läuft.
-
Auf
vorteilhafte Weise umfasst das Tiefpasselement ein ohmsches Element,
das in die Verbindung zwischen der ersten Ausgangsklemme des ersten
Verstärkerelementes
und das Netzwerk und ebenfalls zwischen dem ersten Ausgangsdipol
und einem kapazitiven Element eingefügt wird, wobei dieses kapazitive
Element zwischen der ersten Ausgangsklemme des ersten Verstärkerelementes
und dem den DC Strom definierenden Elementpol, der von dem ersten
Verstärkerelement
abgewandt ist.
-
Die
Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel
einer Ausführungsform
des Oszillators nach der vorliegenden Erfindung. Dieser umfasst
einen npn-Transistor als ein erstes Verstärkerelement 1, dessen
Kollektor-Emitterstrecke als eine Hauptstromstrecke in einer ersten
Ausgangsklemme 2 (Kollektor) und einer zweiten Ausgangsklemme 3 (Emitter)
endet, und dessen Basis eine Steuerklemme 4 bildet. Die
erste Ausgangsklemme 2 des ersten Verstärkerelementes 1 wird über ein
Netzwerk zu der Steuerklemme 4 zurückgeführt, wobei dieses Netzwerk
ein in Reihe geschaltetes piezoelektrisches Schwingungselement 5 aufweist,
das vorzugsweise ein Quarzkristall ist. Das Netzwerk 5 in
der Figur umfasst weiterhin einen Reihenindikator 6, der
in Reihe mit dem piezoelektrischen Schwingungselement 5 kombiniert
ist und zwei kapazitive Dipole 7 und 8 in dem
Beispiel nach der vorliegenden Erfindung, gebildet durch einfache Kondensatoren
entweder als diskrete Elemente oder in integrierter Form auf einem
Halbleiterkörper.
Der erste kapazitive Dipol 7 ist an einer Seite mit der Steuerklemme 4 verbunden,
der zweite kapazitive Dipol 8 ist an einer Seite mit der
ersten Ausgangsklemme 2 verbunden. Auf der anderen Seite
sind die kapazi tiven Dipole 7, 8 nach Erde 9 verbunden,
die eine Speisespannungsklemme in der Figur bildet.
-
Eine
(zweite) Speisespannungsklemme 10, durch die der Oszillator
mit einer Speisespannung gespeist wird, die im Vergleich zu Erde 9 positiv
ist, ist mit einem Pol eines ersten Ausgangsdipols verbunden, der
einen ersten Indikator 11 und ein kapazitives Element 12 aufweist,
und mit diesen Elementen ist als Sperrschaltung vorgesehen. Diese
Sperrschaltung wird auf die Frequenz des Oszillators abgestimmt,
d. h. auf die Frequenz des piezoelektrischen Schwingungselementes,
wozu das kapazitive Element 12 eventuell als Abgleichkondensator
vorgesehen sein kann. Ein Pol, der von der (zweiten) Speisespannungsklemme 10 des
ersten Ausgangsdipols 11, 12 abgewandt ist, ist
mit der ersten Ausgangsklemme 2 gekoppelt.
-
Ein
den DC Strom definierendes Element 13, in dem vorliegenden
Beispiel vorgesehen als eine Quelle konstanten Stromes, ist mit
der zweiten Ausgangsklemme 3 des ersten Verstärkerelementes 1 verbunden.
Das DC Strom definierendes Element 13 ist mit einem zweiten
Pol nach Erde 9 verbunden und stellt eine hohe Impedanz
dar, Idealerweise eine Leerlaufimpedanz für HF-Ströme.
-
Ein
zweites Verstärkerelement 14,
gebildet durch einen npn-Transistor, ist mit der zweiten Klemme 15 (Emitter)
mit der zweiten Ausgangsklemme 3 des ersten Verstärkerelementes 1 verbunden.
Eine Steuerklemme 17 (Basis) des zweiten Verstärkerelementes 14 ist
mit der ersten Ausgangklemme 2 des ersten Verstärkerelementes 1 verbunden.
Weiterhin ist zwischen einer ersten Ausgangsklemme 16 des zweiten
Verstärkerelementes 14 und
einem zweiten Ausgangsdipol, der einen zweiten Indikator 18 und ein
zweites kapazitives Element 19 aufweist, eine Verbindung
vorgesehen. Auf der anderen Seite ist der zweite Ausgangsdipol 18, 19 mit
der (zweiten) Speisespannungsklemme 10 verbunden. Der zweite Ausgangsdipol
bildet eine Sperrschaltung, die auf die von dem Oszillator zu erzeugende
Schwingungsfrequenz abgestimmt ist, wobei diese Frequenz eine harmonische
der Schwingungsfrequenz des piezoelektrischen Schwingungselementes 5 sein
kann. Auf entsprechende Weise ist der Knotenpunkt zwischen der ersten
Ausgangsklemme 16 und dem zweiten Verstärkerelement 14 und
dem zweiten Ausgangsdipol 18, 19 als ein Oszillatorausgang 20 vorgesehen. So
wie das kapazitive Element 12 des ersten Ausgangsdipols
kann auch das zweite kapazitive Element 19 als Abgleichkondensator
für die
Einstellung des Oszillators vorgesehen sein, was aber in der Figur
nicht einzeln dargestellt ist.
-
Auch
in dem zweiten Verstärkerelement 14, dem
npn-Transistor in dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel,
bildet die Kollektor-Emitterstrecke eine Hauptstromstrecke des zweiten
Verstärkerelementes 14.
-
Parallel
zu dem DC Strom definierenden Element 13 ist ein Überbrückungselement 21 vorgesehen,
das einen niederohmigen Wert für
die Schwingung hat, auf die der zweite Ausgangsdipol 18, 19 abgestimmt
ist. In dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Überbrückungselement 21 durch
einen Kondensator gebildet. Eventuell kann das Überbrückungselement 21 der
Verbindung zwischen dem DC definierenden Element 13 und
den zweiten Ausgangsklemmen 3, 15 der Verstärkerelemente 1, 14 auch
mit der (zweiten) Speisespannungsklemme 10 statt nach Erde 9 verbunden
werden. Dies ist in der Figur durch eine gestrichelte Linie dargestellt.
In den beiden Fällen
schließt
das Überbrückungselement 21 eine
Stromschaltung für
die HF-Ströme
durch die Verstärkerelemente 1, 14 und die
Ausgangsdipole 11, 12; 18, 19.
Die Anordnung der Verstärkerelemente 1, 14 mit
idealer Symmetrie erzeugt keine geraden Harmonischen der Schwingungsfrequenz
des piezoelektrischen Schwingungselementes. An dem Knotenpunkt zwischen
den zwei Ausgangsklemmen 3, 15 der Verstärkerelemente 1, 14 wird
im Betrieb die DC Spannung der Schwingungsfrequenz erzeugt. Die
durch das Überbrückungselement 21 gebildete
niederohmige Strecke sorgt dafür,
dass es auch möglich
ist, eine gerade Harmonische hinzuzufügen, sogar wenn die Verstärkerelemente 1, 14 symmetrisch
vorgesehen sind.
-
Der
Reihenindikator 6, der mit dem piezoelektrischen Schwingungselement 5 verbunden
ist, ändert
die Impedanz des piezoelektrischen Schwingungselementes 5 in
dem Netzwerk derart, dass die Schwingungsfrequenz des piezoelektrischen Schwingungselementes
im Vergleich zu dem Fall, wo das Schwingungselement nicht im Betrieb
ist, reduziert wird. In einer Abwandlung des in der Figur dargestellten
Oszillators kann auf den Reihenindikator 6 verzichtet werden.
Weiterhin kann die Schwingungsfrequenz auch durch Änderung
der Geometrie des piezoelektrischen Schwingungselementes geändert werden.
-
Ein
paralleler Dämpfungswiderstand 22 wird zu
dem ersten Ausgangsdipol 11, 12 in dem in der
Figur dargestellten Ausführungsbeispiel
hinzugefügt, wobei
dieser Widerstand die durch den ersten Ausgangsdipol 11, 12 gebildete
Resonanzschaltung dämpft,
so dass die Schaltungsresonanzfrequenz die Schwingungen des piezoelektrischen
Schwingungselementes nicht überherrschen.
-
Ein
Basiswiderstand 23 wird verwendet zum Zuführen von
DC-Energie zu der Steuerklemme 4 des ersten Verstärkerelementes 1.
-
Der
in der Figur dargestellte Oszillator umfasst weiterhin ein Tiefpasselement,
was in die Rückkopplungsstrecke
von der ersten Ausgangsklemme 2 des ersten Verstärkerelementes 1 zu
der ersten Steuerklemme 4 eingefügt und dessen Grenzfrequenz höher ist
als die Frequenz, auf die der erste Ausgangsdipol abgestimmt ist.
Dieses Tiefpasselement, in der Figur gebildet durch ein ohmsches
Element 24 und ein kapazitives Element 25, bildet
auf diese Weise eine Begrenzung für die oben genannte Rückkopplungsstrecke,
aber dämpft
Streuschwingungen einer Schleife, welche die Verstärkerelemente 1, 14 umfasst,
wobei die Rückkopplungsstrecke
von der ersten Ausgangsklemme 2 des ersten Verstärkerelementes 1 zu
der Steuerklemme des zweiten Verstärkers 14 läuft, und
weiterhin einen Gehäusekondensator
des piezoelektrischen Schwingungselementes 5, den ersten
kapazitiven Dipol 7 des Netzwerkes und das Überbrückungselement 21.
Außerdem
wird das ohmsche Element 24 in die Verbindung zwischen der
ersten Ausgangsklemme 2 des ersten Verstärkerelementes 1 einerseits
und dem Netzwerk 5 bis 8 und dem ersten Ausgangsdipol 11, 12 andererseits eingefügt. Das
kapazitive Element 25 ist mit der ersten Ausgangsklemme 2 des
ersten Verstärkerelementes 1 und
demjenigen Pol verbunden, der von dem ersten Verstärkerelement 1 des
den DC Strom definierenden Elementes 13, abgewandt ist,
d. h. nach Erde 9.
-
Der
Oszillator nach der vorliegenden Erfindung hat eine einfache Struktur
und kann weitgehend auf einem Halbleiterkörper integriert werden, so
dass nur einige externe Elemente und folglich nur wenige Stifte
der integrierten Schaltung nebst diesem Halbleiterkörper erforderlich
sind. Der Oszillator nach der vorliegenden Erfindung hat einen sehr
niedrigen Energieverbrauch und kann mit sehr niedrigen Speisespannungen
betrieben werden. Wenn eine Speisespannung zugeführt wird, wird nach einer sehr
kurzen Übergangsperiode
eine stabile Schwingung an dem Ausgang erzeugt (Oszillatorausgang 20 in
der Figur). Sogar bei einer Frequenzfehlabstimmung des Oszillators ändert sich
diese sehr kurze Übergangsperiode
nicht wesentlich. In der Startmode, d. h. wenn der Oszillator in
Betrieb gesetzt wird, nachdem die Speisespannung zugeführt worden
ist, startet der Oszillator zunächst über die
kreuzgekoppelten Verstärkerelemente
(die einen negativen Widerstand bilden) von der ersten Ausgangsklemme
des ersten Verstärkerelementes
zu der Steuerklemme des zweiten Verstärkerelementes und der LC-Schaltung
des ersten Aus gangsdipols. Diese Schwingung wird durch die Kreuzkopplung
beschleunigt, was zu einer Steigerung der Impedanz an der ersten
Ausgangsklemme des ersten Verstärkerelementes
und folglich zu einer Steigerung der Schleifenverstärkung des Oszillators
führt,
dies im Vergleich zu einem "Pierce" Oszillator. Der
Wert des ersten Ausgangsdipols (wenn anwendbar, mit einem parallelen
Dämpfungswiderstand)
ist so gering, dass der Oszillator ohne ein piezoelektrisches Schwingungselement
eben schwach schwingen würde.
Der erste Ausgangsdipol wird auf eine Frequenz abgestimmt, die der
Schwingungsfrequenz des piezoelektrischen Schwingungselementes wenigstens
weitgehend entspricht; der niedrige Wert des ersten Ausgangsdipols
kann zu der Tatsache führen,
dass die Schwingungsfrequenz des Ausgangsdipols auf einfache Art
und Weise von dem piezoelektrischen Schwingungselement bestimmt werden
kann. In der Startphase regt die Schwingung des ersten Ausgangsdipols
das piezoelektrische Schwingungselement an und dadurch wird die
Oszillatorschleife geschlossen, wonach das piezoelektrische Schwingungselement
das Definieren der Frequenz übernimmt,
d. h. die Schwingung in einer vorherrschenden Weise startet.
-
Die
HF-Ströme
in den Hauptstromstrecken der Verstärkerelemente haben die Schwingungsfrequenz
des piezoelektrischen Schwingungselementes und dessen harmonischen.
Von diesen Frequenzen kann jede beliebige Frequenz eventuell über den zweiten
Ausgangsdipol gefiltert werden, auch die erste harmonische Schwingung
oder die Schwingungsfrequenz des piezoelektrischen Schwingungselementes
selber, weil der zweite Ausgangsdipol von der Oszillatorschleife
entkoppelt wird. Das Schwingungsverhalten wird dadurch nicht beeinträchtigt. Weiterhin
fließen
HF-Ströme
nur in dem Verstärkerelementen
und den Ausgangsdipolen oder ggf. in dem Überbrückungselement. Anderseits werden
nur geringfügige
HF-Ströme über das
Netzwerk den Speisespannungsklemmen zugeführt.