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Die Erfindung betrifft eine mitschwingende Vorrichtung
(2) mit einer Wählschaltung
zum Wählen eines
Resonanzmodus, wobei die Wählschaltung durch
einen Oszillator (1) erster Ordnung gebildet ist.
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In standardmäßigen elektronischen Systemen
werden Resonatoroszillatoren konstruiert, indem der bekannte negative
Impedanzaufbau, wie er etwa zum Beispiel in der Dissertation mit
dem Titel "Design
of High-Performance
Negative-Feedback Oscillators (Konstruktion von Negativrückkopplungs-Hochleistungsoszillatoren)" von C. A. M. Boon, veröffentlicht
1989 an der Technischen Universität von Delft und in dem Artikel
betitelt "Low-Noise
Oscillators (Rauscharme Oszillatoren)" von J. H. Huijsing et al., veröffentlicht
1996 in "Analog
Circuit Design" von
Kluwer Academic Publishers, beschrieben wird.
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In allgemein bekannten Resonatoren
wird ein gewünschter
Resonanzmodus durch eine abgestimmte Schaltung ausgewählt.
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Die bisher verwendeten Resonatoren
haben den Nachteil, dass Resonanzschaltungen teuer und zerbrechlich
sind im Vergleich zu anderen Komponenten in einer elektronischen
Schaltung und, darüber
hinaus, schwierig mit den gewünschten
Anforderungen zu integrieren sind.
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Aus den Patents Abstract of Japan,
Bd. 4, Nr. 18 (E-171), 13. Feb. 1980 & Japan 54 157461 A, 12. Dez. 1979,
ist ein Resonator bekannt, der mit einer Resonanzvorrichtung in
Form eines piezoelektrischen Elements versehen ist. Ein Resonanzmodus wird
durch Verwendung eines monostabilen Multivibrators ausgewählt, von
welchem die Impulsrichtung ausgewählt wird. Der Multivibrator
ist kein Oszillator erster Ordnung, wohingegen der Typ der Auswahl sich
vollständig
von jenem des Resonators dieser Erfindung unterscheidet. Darüber hinaus
ist bei dem Resonator nach dem Stand der Technik nur beabsichtigt,
die minimale Eigenschwingungszahl des piezoelektrischen Elements
und nicht einen Oberton-Modus sicherzustellen.
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Das US Pat. Nr. 3,581,235 offenbart
einen Resonator, der einen Kristall und einen astabilen Multivibrator
umfasst, welcher aus zwei Transistoren mit resistiver Kreuzkopplung
besteht. Durch diese Art der Kreuzkopplung besitzt der Kristall
einen Impedanzeinfluss auf den astabilen Multivibrator im Gegensatz
zu dem Schwelleneinfluss auf den Resonator gemäß der Erfindung.
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Das Ziel der Erfindung besteht darin,
einen Resonator des im Oberbegriff erwähnten Typs vorzusehen, welcher
im Vergleich zu bekannten Resonatoren verbessert ist, wobei die
oben erwähnten
Nachteile beseitigt werden und das Problem der untergeordneten Resonanzen
und das des direkten Durchbrechens vermieden wird, während es
einfach möglich
ist, Resonatoren in einer höheren
Mode anzuregen.
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Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung
erreicht, indem der Oszillator einen Kondensator und eine schaltbare
Stromquelle, die an diesen durch einen Steuereingang zur abwechselnden
Rufladung und Entladung des Kondensators angeschlossen ist, sowie
zwei Komparatoren umfasst, deren eine Eingänge an den Anschlusspunkt des
Kondensators und an der schaltbaren Stromquelle angeschlossen sind,
und deren andere Eingänge
jeweils an eine Referenzquelle angeschlossen sind, und deren Ausgang
an eine Speicherschaltung angeschlossen ist, deren Ausgangssignal
sich auf einem ersten Niveau befindet, wenn der eine Komparator
ein Ausgangs signal liefert, und sich auf einem zweiten Niveau befindet,
wenn der zweite Komparator ein Ausgangssignal liefert, wobei der
Ausgang der Speicherschaltung an den Eingang der mitschwingenden
Vorrichtung und den Steuereingang der schaltbaren Stromquelle angeschlossen
ist, und wobei das Ausgangssignal der mitschwingenden Vorrichtung
die Referenzqueller moduliert.
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Der in Bezug auf den Resonator gemäß der vorliegenden
Erfindung unterschiedliche Betrieb des bekannten Resonators ergibt
sich aus der Forderung, dass die Eigenfrequenz des Multivibrators
geringfügig
höher sein
muss als die Resonanzfrequenz des Kristalls, wohingegen jene des
Oszillators erster Ordnung der vorliegenden Erfindung nur nahezu gleich
der Resonanzfrequenz des Kristalls, d. h. geringfügig höher oder
geringfügig
niedriger als die Resonanzfrequenz oder einer höheren harmonischen Teilschwingung
davon, sein muss.
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Die Eigenfrequenz des Oszillators
erster Ordnung kann so gewählt
werden, dass sie beinahe gleich der gewünschten Frequenz des Ausgangssignals
des Resonators ist. Wenn die Synchronisation erreicht ist, wird
die erzeugte Frequenz schließlich vollständig durch
die mitschwingende Vorrichtung bestimmt.
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Die Auswahl der Eigenfrequenz des
Oszillators erster Ordnung durch seine frequenzbestimmenden Komponenten
ermöglicht
es, den Bereich einzustellen, in welchem die Synchronisation aufrecht
erhalten wird. Auf diese Weise kann eine beliebige untergeordnete
Resonanz des Resonators ausgewählt werden.
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In einer Ausführungsform ist ein Verstärker zwischen
dem Ausgang der mitschwingenden Vorrichtung und den Referenzquellen
des Oszillators erster Ordnung eingebaut, um eine Synchronisationsempfindlichkeit
des Oszillators zu erzielen, so dass er zuverlässig als eine Einheit bei einer
gewünschten
Frequenz mitschwingt.
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Vorzugsweise ist das Ausgangssignal
des Oszillators erster Ordnung eine Rechteckwelle. Weitere Ausführungen
der Erfindung werden in den darauf folgenden Ansprüchen beschrieben.
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Die Erfindung wird nun im Folgenden
in größerem Detail
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erklärt.
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In den Zeichnungen zeigt:
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1 ein
Blockdiagramm eines Resonators gemäß der Erfindung;
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2 einen
Resonator gemäß der Erfindung,
der in größerem Detail
wiedergegeben wird;
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3 Signale
an verschiedenen Punkten der Schaltung von 2;
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4 ein
Diagramm, welches die Grenzen des Erfassungsbereichs der Synchronisation
offenlegt;
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5 ein
detailliert ausgearbeitetes Diagramm des Resonators gemäß der Erfindung;
und
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6 eine
sehr einfache Ausführungsform des
Resonators gemäß der Erfindung.
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Das Blockdiagramm in 1 legt das Prinzip der Erfindung offen
dar. Der Resonator umfasst eine mitschwingende Vorrichtung 2 und
einen Oszillator 1. Die mitschwingende Vorrichtung kann
ein Quarz-Kristall oder eine beliebige andere Vorrichtung sein,
die in der Lage ist, in einem oder mehreren Resonanzmodi mitzuschwingen.
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Der Oszillator 1 ist erster
Ordnung, wird im Folgenden auch als Relaxationsoszillator bezeichnet,
und erzeugt ein Signal, dessen Frequenz durch frequenzbestimmende
Komponenten, wie zum Beispiel etwa einen Kondensator, bestimmt wird.
Die Frequenz des Oszillators 1 ist so gewählt, dass
sie der gewünschten
Frequenz des Resonators ungefähr
gleichkommt. Das Ausgangssignal, das an dem Ausgang Uo des
Relaxationsoszillators erscheint, wird dem Erregungseingang Ie der mitschwingenden Vorrichtung 2 zugeführt. Das
Oszillator-Ausgangssignal weist vorzugsweise eine Rechteckform auf.
An dem Ausgang U2 der mitschwingenden Vorrichtung
2 muss ein Signal erscheinen, dessen Frequenz einer vorbestimmten
gewünschten
Resonatorfrequenz gleichkommen muss. Das Ausgangssignal der mitschwingenden
Vorrichtung 2 wird über
einen Verstärker
V dem Synchronisationseingang Is des Relaxationsoszillators 1 zugeführt. Die
Synchronisation erfolgt durch Beeinflussung der Umkehrzeitpunkte
des Relaxationsoszillators.
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Durch Begrenzung der Empfindlichkeit
des Relaxationsoszillators gegenüber
der synchronisierenden Rechteckwelle, hängt es von der Frequenz des
Signals ab, das von dem Resonator stammt, ob eine Synchronisation
auftritt oder nicht. Wenn eine Synchronisation auftritt, wird die
Resonanz durch Zuführen
von Energie von dem Relaxationsoszillator aufrecht erhalten. Wenn
keine Synchronisation auftritt, wird die Resonanz durch die Schleife,
welche die mitschwingende Vorrichtung 2 und den Oszillator 1 umfasst,
nicht aufrecht erhalten. So wird es möglich, die gewünschten Oszillationen
aufrecht zu erhalten, während
unerwünschte
untergeordnete Resonanzen unterdrückt werden. Der gewünschte Synchronisationsbereich
kann eingestellt werden, indem eine geeignete Eigenfrequenz des
Relaxationsoszillators sowie die korrekte Empfindlichkeit gewählt wird.
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Wenn eine Rechteckwelle für das Ausgangssignal
des Oszillators erster Ordnung gewählt wird, besitzt das System
eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber direktem Durchbrechen von
dem Eingang zu dem Ausgang des Resonators. Als ein Ergebnis der
Hochpassnatur des direkten Durchbrechens wird es größtenteils
vor der darauf folgenden Synchronisation der darauf folgenden Umkehr
des Relaxationsoszillators entfernt. Das Eintreten der Synchronisation
wird in der Folge nicht von dem direkten Durchbrechen des Resonators
abhängig
sein.
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Eine mitschwingende Vorrichtung mit
einer guten Kennlinie besitzt eine Resonanzfrequenz, wobei die Amplitude
des Ausgangssignals plötzlich
groß wird
und die Phase zwischen dem Eingang und dem Ausgang der mitschwingenden
Vorrichtung gleich Null ist. Bisher offenbarte mitschwingende Vorrichtungen
erfüllen
die oben gestellten Anforderungen nicht, da zum Beispiel beträchtliche
Einstreuungen auftreten, die zu Phasendifferenzen in der mitschwingenden
Vorrichtung führen.
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Nur mit dem Resonator gemäß der Erfindung können die
oben erwähnten
Probleme beseitigt werden.
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Ein detaillierteres Diagramm des
Resonators gemäß der Erfindung
wird in 2 dargestellt.
Die mitschwingende Vorrichtung 2 des Resonators wird durch einen
Oszillator erster Ordnung ergänzt,
dessen Funktionen getrennt angegeben werden.
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Der Oszillator erster Ordnung oder
Relaxationsoszillator besitzt eine Integrationsfunktion, eine Vergleichsfunktion,
eine Funktion zum Umschalten des Vorzeichens der Integration und
eine Speicherfunktion.
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Die Integration wird durch den Kondensator C
gebildet, welcher durch die Stromquelle I1 aufgeladen
wird, welche in der Lage ist, Strom in zwei Richtungen zu liefern.
Die Schaltfunktion wird diagrammatisch durch die Pfeile P4 und P5 dargestellt.
Der Kondensator C wird durch einen Strom in der einen Richtung aufgeladen,
während
ein Strom in der anderen Richtung den Kondensator entlädt. Wiederholtes Umschalten
der Stromquelle I1 erzeugt eine Sägezahn-Spannung
uz an dem Anschlusspunkt zwischen der Stromquelle
I1 und dem Kondensator C. Die Vergleichsfunktion
wird durch die Komparatoren COMP1 und COMP2 ausgeführt. Die
Sägezahn-Spannung uz wird einem Eingang sowohl des Komparators COMP1 als
auch des Komparators COMP2 zugeführt. An die anderen Eingänge der
Komparatoren COMP1 und COMP2 sind die Referenzquellen
Er1 und Er2 angeschlossen.
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Die Speicherfunktion ist in der dargestellten Ausführungsform
durch den SR-Flipflop L implementiert. Der Ausgang des Komparators COMP1 ist
an den Eingang S des Flipflops L angeschlossen und der Ausgang des
Komparators COMP2 ist an den Eingang R des Flipflops L
angeschlossen. Der Ausgang Q des Flipflops ist an den Erregungseingang
Ie der mitschwingenden Vorrichtung 2 und
an den Steuer- oder Schalteingang P3 der
Stromquelle I1 angeschlossen. Das Ausgangssignal,
das an dem Ausgang U2 der mitschwingenden
Vorrichtung 2 erscheint, moduliert die Referenzquellen Er1 und Er2, was diagrammatisch
durch die Pfeile P1 und P2 dargestellt
wird.
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Die Schwingungsfrequenz des Oszillators erster
Ordnung wird bestimmt durch die Gleichung:
wobei
V
amp die Amplitude der Sägezahnwelle u
z über den
Kondensator C ist, so dass die Oszillatorfrequenz linear abgestimmt
werden kann, indem der Aufladestrom linear variiert wird. Die Periode
des Oszillators kann linear verändert
werden, indem die Amplitude der Oszillation oder der Wert des Kondensators
C linear verändert
wird.
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Da der Strom in dem Kondensator integriert wird,
kann der Oszillator synchronisiert und gesperrt werden, indem die
Referenzquellen der Komparatoren moduliert werden. Das Ausgangssignal
der mitschwingenden Vorrichtung kann einfach zu der Spannung der
Referenzquellen Er1 und Er2 hinzugefügt werden.
Die Schaltung wird dann auf eine solche Weise konstruiert, dass
der Nulldurchgang der Sinuswelle von der mitschwingenden Vorrichtung
den Oszillator erster Ordnung synchronisiert. Es gibt daher keine
spezifischen Anforderungen bezüglich
der Linearität
des Verstärkers,
welcher das Resonatorausgangssignal verarbeitet, und es kann sogar
ein einfacher Begrenzer verwendet werden.
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3 zeigt
die Kennlinie des Resonators an Hand der darin auftretenden Signale. 3 zeigt den Zustand stationärer Schwingung
des Resonators. In diesem Fall, wird eine Vorrichtung als Resonator
verwendet, die bei 1 MHz mitschwingt und einen Qualitätsfaktor
Q von nur 10 besitzt. In 3 zeigt
das Bezugszeichen U1 das rechteckförmige Ausgangssignal des
Flipflops an; das Bezugszeichen Uz die Dreieckspannung über den
Kondensa tor des Oszillators erster Ordnung und das Bezugszeichen
Ur das Ausgangssignal des Resonators.
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Aus 3 wird
klar, dass die Umkehr des Relaxationsoszillators von der Aufladungsphase
zu der Entladungsphase und umgekehrt, von der Ausgangsspannung der
mitschwingenden Vorrichtung synchronisiert oder ausgelöst wird.
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Nicht ideale Eigenschaften der Komponenten
der Schaltung, wie etwa Versatz und Rauschen in den Aufladungs-
und Entladungsströmen,
Versatz und Rauschen in den Referenzniveaus und Verzögerungen
in dem Synchronisationspfad, können
die Phasenbeziehung der Signale beeinflussen. Es wurde herausgefunden,
dass der Einfluss dieser nicht idealen Eigenschaften durch Verstärkungsfaktoren
in dem Synchronisationspfad effektiv beseitigt werden kann. Zum
Beispiel kann ein Verstärker
zwischen dem Ausgang der mitschwingenden Vorrichtung und dem Modulationseingang
der Referenzquellen eingebaut sein.
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Die Grenzen des Erfassungsbereichs
können
aus 4 abgeleitet werden.
Diese Figur zeigt drei Zustände
des Oszillators. In 4(b) liegt der Oszillator
im Zentrum des Erfassungsbereichs. Die Frequenz des Resonators ist
nun genau gleich der Eigenfrequenz des Oszillators erster Ordnung.
Wie oben angegeben, werden die Vergleichsniveaus durch das Ausgangssignal
des mitschwingenden Elementes moduliert, um synchronisierende Rechteckwellen
zu erhalten. In 4(a) besitzt der Oszillator
erster Ordnung seine höchstmögliche (synchronisierte)
Frequenz. In 4(c) besitzt der Oszillator
jedoch seine niedrigstmögliche
(synchronisierte) Frequenz. Es wird darauf hingewiesen, dass der
Aufladestrom des Kondensators in allen diesen Figuren identisch
ist.
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Die Amplitude des Modulationsniveaus
E
mod und der Komparatorniveaus E
l und E
h, welche
gleich, aber umgekehrt sind, werden nun definiert. Wenn der Absolutwert
von E
I und E
h gleich
wie E gesetzt wird, wird der Erfassungsbereich des Oszillators erster Ordnung
bestimmt durch:
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Wenn die Resonanz des Resonators
nicht innerhalb dieser Grenzen liegt, werden beinahe alle Transistoren
von dem Oszillator erster Ordnung initiiert und das System ist nicht
synchronisiert.
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5 zeigt
ein detailliertes Diagramm eines weiteren Resonators gemäß der Erfindung.
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Die Komparatoren sind durch NE527
implementiert, der Flipflop durch 74 HCTo2 und der Kondensator wird
durch den parallelen Anschluss der Kondensatoren C1 und Cv gebildet. Diese Kondensatorschaltung wird
durch den Transistor T1 aufgeladen und durch
den Transistor T2 entladen. Das Umschalten
von der Aufladungs- zur Entladungsphase und umgekehrt wird durch
das Ausgangssignal des Flipflops gesteuert, welches der Basis des
Transistors T2 zugeführt wird.
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Die Vergleichsniveaus der Komparatoren werden
durch die Spannungsteiler gebildet, welche die Widerstände R1 und R2 bzw. R3 und R4 umfassen. Das
Ausgangssignal des mitschwingenden Elementes wird über die
Widerstände
R5 bzw. R6 dem Anschlusspunkt
der Widerstände
in den Spannungsteilern zugeführt
und, wie es bereits bisher der Fall war, zu den Referenzspannungen
der Komparatoren addiert, die durch die Spannungsteiler eingestellt
werden.
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6 zeigt
eine sehr einfache Version des Resonators gemäß der Erfindung.
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Diese Version umfasst zwei Transistoren
T3 und T4. Der Kollektor
des Transistors T3 und der Kollektor des
Transistors T4 sind über die Widerstände R7 bzw. R8 an die
eine Polarität
der Versorgungsspannung UB angeschlossen.
Die Emitter der Transistoren T3 und T4 sind über
Referenzquellen IR1 und IR2 an
die andere Polarität
der Versorgungsspannung UB angeschlossen.
Zwischen den Emittern der Transistoren T3 und T4 ist
der Kondensator C als die frequenzbestimmende Komponente des Oszillators
angeschlossen. Das mitschwingende Element ist zwischen den Kollektoren
der Transistoren T3 und T4 eingebaut.
Die Basis des Transistors T3 ist an den
Kollektor des Transistors T4 angeschlossen,
während die
Basis des Transistors T4 an den Kollektor
des Transistors T3 angeschlossen ist.
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Es wurde herausgefunden, dass ein
Resonator gemäß der Erfindung,
der sehr gut arbeitet, durch nur zwei Transistoren, einen Kondensator
und eine kleine Anzahl von Widerständen konstruiert werden kann.
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Die Erfindung kann in sehr vorteilhafter
Weise in Kristalloszillatoren verwendet werden, die in einem gewünschten
höheren
Modus stabil schwingen müssen.
Die Erfindung ist für
diese Anwendung sehr gut geeignet. Abgesehen von der hohen Stabilität des erhaltenen
Resonators hat die Resonatorschaltung kleine Dimensionen und ist
kostengünstig.
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Die Schaltung kann im Gegensatz zu
den derzeitigen harmonischen Oszillatoren, in welchen die zusätzliche
Filterung, die erforderlich ist, um einem Resonator zu gestatten,
bei der gewünschten Frequenz
mitzu schwingen, bestenfalls zum Teil integriert werden kann, vollständig integriert
werden.
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Darüber hinaus ist die Schaltung
sehr gut geeignet, Zweitor-Resonatoren, zum Beispiel etwa jene,
die durch Mikrobearbeitung auf einem Chip hergestellt werden können, zur
Resonanz anzuregen. Diese Resonatoren unterliegen üblicherweise
besonders großen
Schwierigkeiten auf Grund von Einstreuungen. Diese Schwierigkeiten
gehören
im Fall der offenbarten Schaltung der Vergangenheit an.
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Darüber hinaus ist die Erfindung
sehr gut geeignet, um Resonatoren, die auf einem Chip implementiert
werden müssen,
zur Resonanz anzuregen. Auf Grund der Art der Herstellung leiden
diese Resonatoren auf dem Chip oft unter direkten Einstreuungen
(Durchbrechen), gegenüber
welchen der Resonator gemäß der Erfindung äußerst unempfindlich
ist.
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Die Erfindung ist auch für mitschwingende Sensoren
geeignet, insbesondere für
Anwendungen, in welchen Miniatursensoren erwünscht sind.
