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Die Erfindung bezieht sich auf einen
Oszillator, der durch einen Resonator gebildet wird, welcher mit
einem Verstärker
gekoppelt ist. Der Oszillator kann zum Beispiel in einem Empfänger verwendet werden,
um einen Mischträger
in einem VHF- und/oder
einem UHF-Band zu schaffen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In der Patentschrift EP-A-0.642.215
wird ein Oszillator mit kapazitiver Rückkopplung beschrieben.
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In der Patentschrift GB-A-2.228.154
wird ein Oszillatorkreis für
die IC-Implementierung
beschrieben, bei dem On-Chip-Bauelemente des Schaltkreises mit Kontaktflächen verbunden
sind, wobei mindestens eine Verbindung einen Widerstand enthält. Der
Widerstand trägt
dazu bei, störende
hochfrequente Schwingungsmoden zu verringern. Der On-Chip-Oszillator
kann ein beliebiger von mehreren bekannten Oszillatorkreisen sein
Dieser Oszillator entspricht der Einleitung von Anspruch 1.
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In der Patentschrift US-A 5.434.544
(Anwaltsakte PHN 14.570) wird ein Oszillator mit einem Resonator
beschrieben, der mit einer Verstärkerstufe gekoppelt
ist. In diesem Dokument wird angegeben, dass ein praktischer Resonator
im Allgemeinen verschiedene Resonanzfrequenzen besitzt, weil Elemente
des Resonators unerwünschte
Reaktanzen umfassen. Ein LC-Kreis mit Kapazitätsdioden zur Verwendung in
einem UHF-Fernsehtuner
hat zum Beispiel drei Resonanzfrequenzen, von denen eine erwünscht ist
und die anderen beiden parasitär
sind.
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Um Schwingungen bei einer unerwünschten Frequenz
zu verhindern, wird Folgendes vorgeschlagen. Die Verstärkerstufe
umfasst einen Verstärkertransistor,
dessen Ausgangsstrom über
einen Lastsignalpfad in den Emitter eines Lasttransistors fließt. Die
Verstärkerstufe
erwirbt durch eine passive kapazitive Bootstrap-Signalübertragung
von diesem Signalpfad an die Basis des Lasttransistors ein Bandpassverhalten.
Der Oszillator schwingt daher vorzugsweise innerhalb des Durchlassbereichs
der Verstärkerstufe.
Uner wünschte
Schwingungen werden verhindert, indem der Durchlassbereich der Verstärkerstufe
nahe der gewünschten
Schwingungsfrequenz justiert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung hat zur Aufgabe, einen
Oszillator des oben beschriebenen Typs zu schaffen, der im Vergleich
zum Stand der Technik hinsichtlich des Rauschens eine bessere Leistung
ermöglicht.
In den Ansprüchen
1 und 3 wird ein erfindungsgemäßer Oszillator
bzw. Empfänger
definiert. Zusätzliche
Merkmale, die optional verwendet werden können, um die Erfindung vorteilhaft
zu implementieren, werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Die Erfindung berücksichtigt die folgenden Aspekte.
In jeder praktischen Oszillatorimplementierung sind nicht nur in
dem Resonator selbst parasitäre
Reaktanzen enthalten, sondern auch in einem Kopplungspfad zwischen
dem Resonator und dem Verstärker.
Wenn der Verstärker
zum Beispiel als integrierte Schaltung implementiert wird, wird
der Kopplungspfad Bonding-Drähte
und Metallrahmen zur Aufbringung der Chips enthalten, die parasitäre Induktanzen
darstellen. Er wird auch Bonding- und Gehäuse-Kontaktflächen enthalten, die parasitäre Kapazitäten darstellen.
Auf jeden Fall werden die parasitären Reaktanzen in dem Kopplungspfad
zwischen dem Resonator und dem Verstärker zu parasitären Resonanzen
führen.
Eine derartige parasitäre Resonanz,
die im Folgenden als parasitäre
Kopplungspfadresonanz bezeichnet wird, kann die durch den Resonator
gelieferte erwünschte
Resonanz dominieren. Außerdem
kann die Frequenz der parasitären
Kopplungspfadresonanz nahe der Frequenz der gewünschten Resonanz liegen, vor
allem, wenn der Oszillator bei relativen hohen Frequenzen betrieben wird,
die zum Beispiel in der Größenordnung
von 1 GHz liegen, und/oder wenn der Oszillator abstimmbar ist.
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Nach dem Stand der Technik wird unerwünschten
Schwingungen durch das Bandpassverhalten des Verstärkers begegnet,
das die gewünschte
Resonanz gegenüber
jeder parasitären
Resonanz begünstigt.
Das Bandpassverhalten muss relativ scharf sein, wenn eine parasitäre Kopplungspfadresonanz über die
gewünschte
Resonanz dominiert, und vor allem, wenn die Frequenz der parasitären Kopplungspfadresonanz
nahe bei der Frequenz der gewünschten
Resonanz liegt. Um ein scharfes Bandpassverhalten zu erreichen,
muss die positive Rückkopplungsschleife
in dem Verstärker,
die durch den Lasttransistor und die passive kapazitive Bootstrap-Signalübertragung
gebildet wird, eine Verstärkung
aufweisen, die relativ nahe an den Wert Eins (1) herankommt. In
diesem Fall wird jedoch das Rau schen des Lasttransistors, das in
der positiven Rückkopplungsschleife
auftritt, in relativ weitgehendem Maße verstärkt. Nach dem Stand der Technik
ist das Begegnen der unerwünschten
Schwingungen mit Nachteilen in Bezug auf die Rauschleistung verbunden.
Der Nachteil kann besonders schwer wiegen, wenn eine parasitäre Kopplungspfadresonanz vorherrschend
ist und darüber
hinaus nahe der Frequenz der gewünschten
Resonanz auftritt.
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Erfindungsgemäß enthält der Kopplungspfad zwischen
dem Resonator und dem Verstärker
einen Reihenwiderstand. Es hat sich gezeigt, dass ein derartiger
Reihenwiderstand die parasitären
Kopplungspfadresonanzen in wesentlich größerem Maße dämpft als die gewünschte Resonanz.
Der Verstärker braucht
daher kein relativ scharfes Bandpassverhalten aufzuweisen, um den
unerwünschten
Schwingungen zu begegnen. Wenn der Verstärker einen Lasttransistor in
einer positiven Rückkopplungsschleife
umfasst, um ein Bandpassverhalten zu realisieren, braucht diese
Schleife daher keine Verstärkung
zu haben, die nahe an den Wert Eins (1) herankommt. Das Rauschen
des Lasttransistors wird daher in wesentlich geringerem Maße verstärkt als
nach dem Stand der Technik. Der in dem Kopplungspfad enthaltene
Reihenwiderstand kann sogar parasitäre Kopplungspfadresonanzen
in einem solchen Maß dämpfen, dass
der Verstärker
kein Bandpassverhalten aufzuweisen braucht, um unerwünschten Schwingungen
entgegenzuwirken. In diesem Fall braucht der Verstärker keinen
Lasttransistor in einer positiven Rückkopplungsschleife zu enthalten.
Statt dessen kann ein weniger verrauschter Lastkreis verwendet werden,
wie zum Beispiel ein einzelner Widerstand.
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In jedem Fall macht es die Erfindung
möglich,
dass der Verstärker
des Oszillators erheblich bessere Rauscheigenschaften aufweist als
nach dem Stand der Technik. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die
Rauschleistung des Oszillators aus, was gegen einen nachteiligen
Effekt abgewogen werden muss, weil der in dem Kopplungspfad enthaltene
Reihenwiderstand selbst eine Rauschquelle ist. Es hat sich gezeigt,
dass die vorteilhafte Auswirkung bei vielen Anwendungen den nachteiligen
Effekt bei weitem überwiegt.
Die Erfindung ermöglicht
also einen Oszillator, der im Vergleich zum Stand der Technik hinsichtlich des
Rauschens eine bessere Leistung aufweist.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung
ist Folgender. Die Leistung des Oszillators hängt auch von der Verstärkung in
einem Schwingkreis ab, zu dem der Verstärker und der Resonator gehören. Wenn
die Verstärkung
des Schwingkreises zu klein ist, schwingt der Oszillator eventuell
nicht. Ist die Verstärkung
des Schwingkreises zu groß,
können
die Transistoren im Verstärker
in Sättigung
geraten, was sich nachteilig auf ein Oszillations signal auswirkt.
In der Praxis variiert die Verstärkung
des Schwingkreises, wenn der Resonator abgestimmt wird, und daher
wird die Leistung nicht konstant sein. Es hat sich bei vielen Anwendungen
gezeigt, dass der Reihenwiderstand in dem Kopplungspfad zwischen
dem Resonator und dem Verstärker
die Schwankungen in der Verstärkung
des Schwingkreises aufgrund der Abstimmung effizient reduziert.
Die Erfindung trägt
daher auch dazu bei, dass die Leistung des Oszillators über den
gesamten gewünschten
Abstimmbereich im Wesentlichen konstant ist.
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Die Erfindung kann vollständig oder
teilweise als integrierte Schaltung implementiert werden. Die integrierte
Schaltung kann zum Beispiel den Verstärker des Oszillators einschließlich eines
positiven Rückkopplungspfads
umfassen. Der Resonator des Oszillators kann extern sein und mit
dem positiven Rückkopplungspfad
gekoppelt sein. Ein Vorteil einer derartigen Implementierung besteht
darin, dass sie kosteneffizient ist, weil die integrierte Schaltung
mit relativ wenig Anschlussstiften und externen Bauelementen versehen
werden muss, um den Resonator mit dem Verstärker zu koppeln. Es ist zu
beachten, dass bei einer derartigen kosteneffizienten Implementierung
die Gefahr unerwünschter
Schwingungen bestehen würde,
wenn der Kopplungspfad zwischen dem Resonator und dem Verstärker nicht
mit einem Reihenwiderstand versehen wäre, wie dies bei der Erfindung
der Fall ist. Die Erfindung ermöglicht daher
eine Implementierung einer integrierten Schaltung, die sowohl zuverlässig als
auch kosteneffizient ist.
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Die Erfindung kann in einem Empfänger angewendet
werden, der eine Mischstufe zum Umsetzen eines Empfangssignals in
eine Zwischenfrequenz umfasst. Um die Mischstufe mit einem Mischträger zu versorgen,
wird ein Oszillator benötigt.
Da der Oszillator dank der Erfindung in Form einer integrierten
Schaltung implementiert werden kann, die sowohl zuverlässig als
auch kosteneffizient ist, trägt die
Erfindung zu einem günstigen
Selbstkostenpreis des Empfänger
bei. Da der Oszillator dank der Erfindung weiterhin über eine
relativ gute Rauschleistung verfügt,
trägt die
Erfindung auch zu einer zufriedenstellenden Empfangsqualität bei. Die
oben genannten Vorteile machen die Erfindung besonders geeignet zur
Verwendung in digitalen Empfängern
wie zum Beispiel digitalen Video-Broadcast-Empfängern (DVB).
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Die Erfindung und weitere Merkmale,
die optional vorteilhaft zur Implementierung der Erfindung genutzt
werden können,
werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
ein Blockschaltbild, das die grundlegenden Merkmale der Erfindung
veranschaulicht;
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2 zeigt
ein Blockschaltbild, das die zusätzlichen
Merkmale nach Anspruch 2 veranschaulicht;
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3 zeigt
einen Schaltplan eines Beispiels für einen erfindungsgemäßen Oszillator;
und
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die 4a und 4b zeigen Diagramme, die die
Auswirkung der Reihenwiderstände
in dem Oszillator aus 3 veranschaulichen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Zunächst einige Anmerkungen zu
der Verwendung der Bezugszeichen. Ähnliche Einheiten sind in allen
Zeichnungen mit dem gleichen Buchstabencode bezeichnet. Eine einzige
Zeichnung kann mehrere ähnliche
Einheiten enthalten. In diesem Fall wurde eine Ziffer zu dem Buchstabencode
hinzugefügt,
um die ähnlichen
Einheiten voneinander zu unterscheiden. Die Ziffer ist in Klammern
gesetzt, wenn die Anzahl der ähnlichen
Einheiten ein laufender Parameter ist. In der Beschreibung und in
den Ansprüchen
können
die Ziffern in einem Bezugszeichen weggelassen werden, wenn dies
angebracht ist.
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In 1 sind
die grundlegenden Merkmale der Erfindung mit durchgezogenen Linien
dargestellt. Ein Resonator RES, der über einen Kopplungspfad COP
mit einem Verstärker
AMP verbunden ist, bildet einen Oszillator OSC. Der Kopplungspfad
enthält
einen Reihenwiderstand RS.
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Die folgenden Elemente sind in 1 mit unterbrochenen Linien
dargestellt. Der Oszillator bildet einen Teil eines Empfängers REC.
Er liefert einen Mischträger
Smix an eine Mischstufe MIX, um ein Empfangssignal Srf in eine Zwischenfrequenz
IF umzusetzen.
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In 2 ist
das folgende zusätzliche
Merkmal dargestellt. Der Kopplungspfad COP zwischen dem Resonator
RES und dem Verstärker
AMP umfast auch eine Reihenkapazität CS. Das Merkmal aus 2 beruht auf der folgenden Überlegung.
Die Rauschleistung des Oszillators hängt von der Phasen-Frequenz-Kennlinie
des Resonators RES ab, wenn dieser mit dem Verstärker AMP verbunden ist. Je
steiler die Phasen-Frequenz-Kennlinie
nahe der gewünschten
Resonanz verläuft,
desto besser wird die Rauschleistung sein. Die Reihenkapazität CS steigert
die Steilheit der Phasen-Frequenz- Kennlinie auf effiziente Weise. Der
Reihenwiderstand CS trägt damit
zu einer weiter verbesserten Rauschleistung bei.
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Ein weiterer Vorteil des Merkmals
aus 2 ist Folgendes.
Der Oszillator muss eventuell abstimmbar sein. In der Praxis wird
ein abstimmbarer Oszillator realisiert, indem der Resonator mit
einem elektrischen Bauelement versehen wird, dessen Reaktanz justiert
werden kann, zum Beispiel mit Hilfe einer Abstimmregelspannung.
Ein Abstimmbereich des Oszillators wird nicht nur durch das Ausmaß bestimmt,
in dem die Reaktanz dieses elektrischen Bauelements justiert werden
kann, sondern auch durch den Aufbau des Oszillators und die Eigenschaften
der anderen darin enthaltenen elektrischen Bauelemente. Wenn die
Reihenkapazität
CS in dem Kopplungspfad zwischen dem Resonator RES und dem Verstärker AMP
enthalten ist, wie in 2 dargestellt,
wird der Abstimmbereich im Allgemeinen breiter sein als in dem Fall,
in dem er nicht darin enthalten ist. Das Merkmal aus 2 macht es daher möglich, den
Oszillator über
einen relativ breiten Frequenzbereich abzustimmen.
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3 zeigt
ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Oszillators,
der die oben beschriebenen Merkmale aus 1 und 2 enthält. In dem
Oszillator aus 3 bildet
der Verstärker
AMP einen Teil einer integrierten Schaltung IC und umfasst einen positiven
Rückkopplungspfad
in Form von integrierten Kapazitäten
Ci1–Ci4.
Er umfasst außerdem
drei integrierte Transistoren Ti1–Ti3, zwei integrierte Widerstände Ri1,
Ri2, und eine integrierte Vorspannungsschaltung BIAS zur Lieferung
von Vorspannungen an die integrierten Transistoren Ti1–Ti3. Der
Resonator RES besteht aus zwei Spulen L1 und L2, zwei Kondensatoren
C1 und C2, einem Widerstand R1 und einem Varactor VAR, an den eine
Abstimmspannung Vtun angelegt werden kann. Der Resonator RES ist über den
Kopplungspfad COP mit den Knotenpunkten N1, N2 des Verstärkers AMP
verbunden.
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In dem Oszillator aus 3 umfasst der Kopplungspfad
COP ein Paar Reihenwiderstände RS1,
RS2 und ein Paar Reihenkapazitäten
CS1, CS2. Außerdem
umfasst er einige parasitäre
Kapazitäten
Cpar und parasitäre
Induktivitäten
Lpar. Die parasitäre
Kapazität
Cpar1 kann zum Beispiel auf eine kapazitive Kopplung zwischen zwei
Leiterbahnen auf einer Leiterplatte zurückzuführen sein. Die parasitäre Kapazität Cpar2
kann zum Beispiel auf eine kapazitive Kopplung zwischen zwei Anschlussstiften
P1, P2 der integrierten Schaltung IC zurückzuführen sein, die einen Teil des
Kopplungspfades COP bilden. Die parasitären Induktivitäten Lpar1,
Lpar2 können
zum Beispiel durch den Metall rahmen der integrierten Schaltung IC
verursacht werden und die parasitären Induktivitäten Lpar3,
Lpar4 durch Bonding-Drähte.
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Die Funktionsweise des Oszillators
aus 3 kann wie folgt
erläutert
werden. Der Resonator RES und der Kopplungspfad COP bilden eine
Impedanz zwischen den Knotenpunkten N1 und N2. Der Verstärker AMP
bildet ebenfalls eine Impedanz zwischen diesen Knotenpunkten. Jede
der beiden genannten Impedanzen kann als eine Parallelschaltung von
einem Widerstand und einer Reaktanz betrachtet werden. Der Oszillator
kann potentiell mit einer Frequenz schwingen, bei der die beiden
folgenden Bedingungen erfüllt
werden. Erstens müssen
die Reaktanzen der beiden Impedanzen von entgegengesetztem Vorzeichen
und gleichem Wert sein. Zweitens muss der aus dem Resonator RES
und dem Kopplungspfad COP gebildete Widerstand, der im Folgenden
als Widerstand des Oszillatorschwingkreises bezeichnet wird, einen
Wert haben, der größer ist
als der Absolutwert des durch den Verstärker AMP gebildeten Widerstands.
Der Widerstand des Oszillatorschwingkreises hat ein negatives Vorzeichen
und macht den Resonator RES effizient ungedämpft. Er wird daher im Folgenden
als Widerstand zum Aufheben der Dämpfung bezeichnet. Es ist zu
beachten, dass bei dem Oszillator aus 3 der
Wert des Widerstands zum Aufheben der Dämpfung im Wesentlichen von
der Frequenz unabhängig
ist, was bei dem in der Patentschrift US-A 5.434.544 (Anwaltsakte PHN
14.570) beschriebenen Oszillator nicht der Fall ist. Der letztgenannte
Oszillator hat einen Verstärker, der
einen Widerstand zum Aufheben der Dämpfung liefert, dessen Wert
frequenzabhängig
ist.
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Bei Fernsehanwendungen des Oszillators aus 3 können günstige Ergebnisse erzielt werden,
wenn die Werte der Reihenwiderstände
RS1 und RS2 in der Größenordnung
von zehn Ohm liegen. Der Oszillator aus 3 wurde zum Beispiel zur Abstimmung im
VHF-A-, VHF-B- und UHF-Band mit Reihenwiderständen RS1 und RS2 von 47, 27
bzw. 15 Ohm verwendet. Die Reihenkapazitäten CS1 und CS2 haben vorzugsweise
Werte in der Größenordnung
von wenigen Picofarad. Mit diesen Werten kann das Abstimmen im UHF-Band
von einem Maximum von ca. 900 MHz, wenn keine Reihenkapazitäten verwendet
werden, auf ca. 1070 MHz erweitert werden. Da die Reihenkapazitäten CS1
und CS2 auch den Abstimmbereich im VHF-A-Band und im VHF-B-Band
effizient erweitern, ist die Implementierung des Resonators RES
außerdem
weniger kritisch. Das bedeutet, dass die Elemente des Resonators
RES weniger strenge Anforderungen hinsichtlich der Bauelementstreuung
erfüllen
müssen,
um im gesamten VHF-A-Band und VHF-B-Band abzu stimmen. Bei jedem
der oben genannten Bänder
sorgten die Reihenkapazitäten
CS1 und CS2 außerdem
für eine
erhebliche Verbesserung in Bezug auf das Rauschen.
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Die 4a und 4b zeigen die Auswirkung der
Reihenwiderstände
RS1, RS2 im Kopplungspfad COP zwischen dem Resonator RES und dem
Verstärker
AMP. Beide Figuren zeigen den Widerstand des Oszillatorschwingkreises
(Rtank) zwischen den Knotenpunkten N1 und N2 als eine Funktion der
Frequenz (F) für
verschiedene abgestimmte Zustände des
Resonators RES. 4a erhält man,
wenn der Reihenwiderstand RS einen Wert gleich Null hat, d. h. wenn
er fehlt, und 4b erhält man,
wenn der Reihenwiderstand RS einen Wert von 5 Ohm hat. In beiden
Figuren gibt es einen Frequenzbereich FRwant, in dem sich die gewünschte Resonanz
befinden kann, und zwei Frequenzbereiche FRpar1 und FRpar2, in denen
sich die parasitären
Resonanzen befinden können.
Es ist zu beachten, dass der Resonator RES für eine UHF-Fernsehanwendung
des Oszillators aus 3 konzipiert
wurde.
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In 4a kann
der Widerstand des Oszillatorschwingkreises bei einer parasitären Resonanzfrequenz
in dem Frequenzbereich FRpar2 höher
sein als bei einer gewünschten
Resonanzfrequenz in dem Frequenzbereich FRwant. Um die Oszillationsbedingungen
bei der gewünschten
Resonanzfrequenz zu erfüllen,
muss der durch den Verstärker
AMP gebildete Widerstand zum Aufheben der Dämpfung einen Absolutwert haben,
der kleiner ist als der des Widerstands des Oszillatorschwingkreises.
In diesem Fall wird der Absolutwert des Widerstands zum Aufheben der
Dämpfung
jedoch sicherlich kleiner sein als der Widerstand des Oszillatorschwingkreises
bei der parasitären
Resonanzfrequenz. Es besteht daher die Gefahr, dass der Oszillator
OSC bei der parasitären Resonanzfrequenz
schwingt und nicht bei der gewünschten
Resonanzfrequenz.
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In 4b ist
der Widerstand des Oszillatorschwingkreises bei einer gewünschten
Resonanzfrequenz in dem Frequenzbereich FRwant immer höher als
eine parasitäre
Resonanz in einem der Frequenzbereiche FRpar1 und FRpar2. Der Verstärker AMP kann
auf eine solche Weise konzipiert werden, dass der Widerstand zum
Aufheben der Dämpfung
einen Absolutwert hat, der bei der gewünschten Resonanzfrequenz kleiner
ist als der Widerstand des Oszillatorschwingkreises, aber bei jeder
parasitären
Resonanzfrequenz größer ist
als der Widerstand des Oszillatorschwingreises. In diesem Fall können die
Oszillationsbedingungen nur bei der gewünschten Resonanzfrequenz erfüllt werden.
Selbst wenn der Widerstand zum Aufheben der Dämpfung einen Absolutwert aufweist,
der unter dem Widerstand des Oszillatorschwingkreises liegt bei
einer parasitären
Resonanzfrequenz liegt, wird der Oszillator jedoch vorzugsweise
mit der gewünschten
Resonanzfrequenz schwingen, weil der Widerstand des Oszillatorschwingkreises
bei dieser Frequenz höher
ist.
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SCHLUSSBEMERKUNGEN
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Die Zeichnungen und ihre obige Beschreibung
veranschaulichen die Erfindung und begrenzen sie nicht. Es wird
ersichtlich sein, dass es zahlreiche Ausführungsformen gibt, die in den
Rahmen der abhängigen
Ansprüche
fallen. In dieser Hinsicht werden die folgenden Schlussbemerkungen
gemacht.
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Alle in Klammern gesetzte Bezugszeichen sind
nicht als den betreffenden Anspruch einschränkend zu betrachten.