DE69907324T2 - Oszillator mit zwei Quadraturausgängen - Google Patents

Description

• Gebiet der Technik
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator, der Resonanzkreise verwendet und zwei um 90° phasenversetzte Ausgänge aufweist.
• Stand der Technik
• Es ist bekannt, einen Ozillator zu verwenden, der zwei Ausgänge in Quadratur bzw. um 90° phasenverschoben bei bestimmten Typen von Empfängern aufweist, bei denen er zugeordnet zu zwei Frequenzmischern die Verbesserung der Rückubertragung der Bildfrequenz ermöglicht. Er gestattet es auch, Signale zu liefern, die in Phase und in Phasenquadratur zu "numerischen" Empfängern sind. Er ermöglicht auch die Herstellung eines Empfängers mit einer Null-Zwischenfrequenz. Um leistungsfähig zu sein, müssen diese Empfänger über vom Ozillator gelieferte Signale verfügen, wobei diese Signale genau 90° phasenversetzt sind. Übrigens muss die spektrale Reinheit dieser Ozillatoren hoch sein (sehr niedriges Phasenrauschen). Dies wird dank eines hohen Qualitätskoeffizienten des Resonanzkreises erreicht.
• Es bestehen mehrere Lösungen, um Signale in Phasenquadratur zu erhalten. Es können zwei RC-Schaltkreise verwendet werden, wobei einer der Schaltkreise das aus einem Ozillator kommende Signal um +45° in der Phase verschiebt, und der andere Schaltkreis dieses Signals um –45° verschiebt. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß, wenn die Phasenverschiebung zwischen den beiden Wegen 90° in einem erweiterten Frequenzbereich beträgt, dies für die Amplitude der Signale, die in Abhängigkeit von der Arbeitsfrequenz oder von den mit den Werten der Komponenten R und C verknüpften Streuungen angepaßt werden muss, sich nicht so verhält.
• Es kann auch ein Ozillator mit doppelter Frequenz an. zwei um 180° phasenversetzten Ausgängen verwendet werden, dem ein Frequenzteiler durch 2 vom Typ "Johnson-Zähler" folgt, der zwei um 90° phasenversetzte Ausgangssignale liefert. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß ein Ozillator mit doppelter Frequenz realisiert werden muss, was bei hoher Frequenz sehr schwierig sein kann, und daß dieser Ozillator ein Zyklusverhältnis von sehr genau 0,5 aufweisen muss.
• Es kann auch noch ein Ozillator verwendet werden, der vier identische, mit Rückwärtsschleife versehene Zellen aufweist, wobei jede Zelle eine Phasenverschiebung um 90° einführt (oder zwei unterschiedliche Zellen, die eine "verkabelte" Phasenverschiebungum 180° ermöglichen). Die Präzision der Phasenverschiebung zwischen zwei Zellen bei diesem Oszillatortyp hängt nur von der Paarung der Zellen ab. Tatsächlich ist prinzipiell die Oszillationsfrequenz die Frequenz, für die die Phasenverschiebung in offener Schleife 0 oder 360° beträgt. Wenn der Ozillator aus vier strikt identischen Zellen besteht, beträgt die Phasenverschiebung zwischen jeder Zelle 360/4 = 90°.
• 1 stellt eine der Zellen eines solchen Oszillators nach dem Stand der Technik dar. Diese Tiefpaßzelle wird in ihrer differentiellen Form im Artikel "1 GHz Quadrature Sinusoidal Ocillator" von R. Duncan et al. IEEE CICC 95 verwendet. Die Basiszelle umfaßt einen Transistor Q', der als gemeinsamer Sender montiert ist. Der Kollektor des Transisors ist mit der Speise-Gleichspannung V_cc über einen Widerstand R' verbunden.
• Die Notwendigkeit, ein niedriges Phasenrauschen zu erhalten, impliziert die Verwendung von reaktiven Bauteilen L und C mit einem Überspannungskoeffizienten Q, der so hoch wie möglich ist, wobei die RC-Oszillatoren ein zu starkes Rauschen aufweisen.
• Die in 1 dargestellte Basiszelle ermöglicht es, eine Verstärkung über der Einheit und eine Phasenverschiebung um 90° zu erhalten, wobei gleichzeitig ein maximaler Überspannungskoeffizient Q vorhanden ist.
• Die Induktanz L und die Kapazität C, die in Reihe geschaltet sind, sind parallel auf den Widerstand des Kollektors R' verzweigt. Der Widerstand R stellt die Verluste der Induktanz L dar. Der Eingang E der Zelle ist auf die Basis des Transistors Q' geschaltet. Der Ausgang S der Zelle bildet den gemeinsamen Punkt zwischen der Induktanz L und der Kapazität C.
• Die in 1 dargestellte, Zelle weist bei der Resonanzfrequenz (d. h. bei der Resonanzpulsation ω_o) eine Phasenverschiebung um 90° und einen Last-Qualitätskoeffizienten Q_c derart auf, daß:

  

  wobei der Transistor und die Kapazität als perfekt angenommen. werden.
• Die Zunahme des Last-Qualitätskoeffizienten Q_c für eine gegebene Induktanz kann nur erfolgen, indem R', verringert wird.
• Die Verstärkung g der Zelle ist durch folgende Beziehung gegeben:

  

  wobei g_m die Transkonduktanz des Transistors ist.
• Die Verstärkung G muss größer sein als die Einheit, damit der Ozillator, der aus vier identischen Zellen in Kaskade zusammengesetzt ist (der Ausgang S einer Zelle ist mit dem Eingang E der folgenden Zelle verbunden, und der Ausgang der vierten Zelle ist mit dem Eingang der ersten Zelle der Kaskade verbunden) funktionieren kann.
• Beispielsweise können die Größenordnungen des Werts der Komponenten die folgenden sein. Wenn eine Induktanz L von 5 nH gewählt wird, hat ein Wert des Qualitätskoeffizienten der Induktanz allein Q_s = Lω_o/R = 5 eine Frequenz von 2 GHz, und wenn eine Verschlechterung des Last-Qualitätskoeffizienten um 10% toleriert wird (Q_c = 0,9 Q_s), erhält man: R' = 1,26 Ω
• Daraus folgt für eine Verstärkung G > 1 ein Eingangs-Widerstandswert an der gemeinsamen Basis r_ib.(entsprechend 1/g_m) von 5,7 Ω. Dies entspricht einem Wert des Kollektorstroms I_c von 4,4 mA.
• Dieses relativ hohe. Wert des Kollektorstroms weist einen Nachteil auf. Außerdem benötigt eine Zelle dieser Art. mindestens eine Stufe vom Folge-Emittertyp, damit die Eingangsimpedanz des realen Transistors nicht den Qualitätskoeffizienten Q_c verschlechtert. Außerdem ist der für den Widerstand R' (1,26 Ω) im Fall einer Realisierung mit integrierter Schaltung wenig realistisch, da er nahe an den Werten von parasitären Widerständen des Schaltkreises liegt.
• Das Dokument US-A-S 561 399 beschreibt einen Ozillator mit Mehrfachresonatoren, die in Kaskade geschaltet sind und einen erhöhten Wert des Koeffizienten Q besitzen. Jede Zelle ist aus einem Verstärker und einer LC-Schaltung gebildet. Diese Zellen sind in Kaskade angeordnet und die Einheit ist in einer Eigenschleife angeordnet. Der Ozillator weist eine Resonanz mit einer Frequenz auf, für die die Drehung der gesamten Phase in der Schleife ein Vielfaches von 360° beträgt.
• Abriß der Erfindung
• Um diese Probleme zu lösen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Ozillator vorgeschlagen, umfassend vier identische, um 90° phasenverschobene Zellen, wobei das Ausgangssignal einer Zelle an den Eingang der nächsten Zelle geliefert wird und der Ausgang der vierten Zelle mit dem Eingang der ersten Zelle verbunden ist, und wobei jede Zelle einen Stromverstärker sowie einen parallelen Induktivität-Kapazität-Resonanzkreis aufweist, der derart angeordnet ist, daß der Ausgangsstrom einer Zelle ein Bruchteil des kapazitiven Stroms des parallelen Resonanzkreises ist, wodurch die Phasenverschiebung um 90° zwischen dem Eingangsund dem Ausgangsstrom der Zelle sichergestellt wird. Unter Stromverstärker versteht man einen Schaltkreis, der eine geringe Eingangsimpedanz und eine hohe Ausgangsimpedanz aufweist. Es kann sich um einen mit gemeinsamer Basis montierten Transistor handeln, wobei der Parallel-Resonanz kreis in dem Kollektor-Schaltkreis des Transistors an geordnet ist.
• Die Koppelung zwischen einer Zelle und der folgenden Zelle kann eine kapazitive Koppelung sein. Diese Koppelung kann auch induktiv sein. In diesem Fall kann sie durch eine Drosselspule oder durch die Sekundärseite eines Transformators hergestellt werden, dessen Primärseite die Induktanz des Resonanzkreises bildet.
• Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Die Erfindung ist aus der folgenden Beschreibung, die als nicht einschränkendes Beispiel gegeben wird, besser verständlich und weitere Vorteile und Eigenheiten gehen daraus hervor, begleitet von den beigefügten Figuren, von denen zeigen:
• 1, die bereits beschrieben wurde, ein Wechselstrom-Schema einer der vier Zellen eines Oszillators gemäß dem Stand der Technik,
• 2 ein Wechselstrom-Schema einer der Zellen eines ersten Ozillators gemäß der vorliegenden Erfindung, der vier identische Zellen umfaßt,
• 3 ein Wechselstrom-Schema einer der Zellen eines zweiten Ozillators gemäß der vorliegenden Erfindung, der vier identische Zellen umfaßt,
• 4 ein Wechselstrom-Schema einer der Zellen eines dritten Ozillators gemäß der vorliegenden Erfindung, der vier identische Zellen umfaßt.
• Detaillierte Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung
• Die 2 stellt die Basiszelle eines ersten Ozillators gemäß der Erfindung dar. Es handelt sich um eine Zelle, die mit Eingangsstrom und auch mit Ausgangsstrom arbeitet: Der Ausgang S wird vom Eingang E der folgenden Zelle geladen, deren Impedanz schwach ist, da es sich um eine Montage mit gemeinsamer Basis handelt. I_E(cc) stellt den Gleichstrom des Emitters dar.
• Der Resonanzkreis umfaßt eine Impedanz L₁ parallel mit einer Kapazität C₁. Der Widerstand R₁ stellt die Induktanzverluste L₁ dar. Die Kapazität C₂ stellt die Wechselstrom-Verbindung mit der folgenden Zelle sicher.
• Bei der Resonanzfrequenz (entsprechend ω² _o = 1/L₁ [C₁ + C₂]), wobei die Phasenverschiebung 90° zwischen dem Eingangsstrom über E und dem Ausgangsstrom über S beträgt. Der Last-Qualitätskoeffizient ist:

  

  wobei r_ib der Eingangswiderstand des Transistors Q₁ mit gemeinsamer Basis ist, wobei der Transistor und die Kapazitäten C₁ und C₂ als perfekt angenommen werden. Die Steigerung des Qualitätskoeffizienten Q_c für eine gegebene Induktanz kann nur durch Verringerung von r_ib erfolgen.
• Der Oszillationszustand: Verstärkung (Ausgangsstrom/Eingangsstrom) über 1 in offener Schleife ergibt für einen idealen Transistor: mit.
• 
• Indem die vorhergehende numerische Anwendung für die 1 wieder aufgenommen wird; d. h.: Qc = 0,9 Qs, L1 = 5 nH,
  hat Q5 = 5 eine Oszillationsfrequenz von 2 GHz, wobei der Ozillationszustand dann ergibt:

  
• Der Widerstand r_ib beträgt dabei 29 Ω, was einem Kollektorstrom I_c von 0,9 mA entspricht.
• Man sieht, daß ein Gewinn an verbrauchter Energie (Strom I_c) in einem Verhältnis von 4,9 für die gleichen Bedingungen des Qualitätskoeffizienten Q_c erhalten wird.
• Im Gegensatz zur Zelle des Standes der Technik gemäß 1, die in der Praxis eine zusätzliche Stufe vom Typ Emitterfolger erfordert, ist die Zelle des Ozillators gemäß der Erfindung direkt mit. einem realen Transistor verwendbar.
• Die 3 stellt die Basiszelle eines zweiten Oszillators gemäß der Erfindung dar. Im Unterschied zu der in 2 dargestellten Zelle ist die Koppelung zwischen zwei konsekutiven Zellen induktiv und erfolgt durch eine Verbindungs-Drosselspule L₂ und durch einen Kondensator mit hoher Kapazität (nicht dargestellt), um den Durchgang von Gleichstrom zu verhindern.
• Für die in 4 dargestellte Zelle ist die Koppelung zwischen zwei konsekutiven Zellen ebenfalls induktiv. Sie wird durch die Sekundärseite L₃ eines Transformators hergestellt, dessen Primärseite die Induktanz L₁ des parallelen Resonanzkreises bildet. Wie vorher verhindert ein Kondensator mit hoher Kapazität (nicht dargestellt) den Durchgang von Gleichstrom.
• Die Erfindung ermöglicht also die Herstellung eines Quadratur-Oszillators mit guter Qualität hinsichtlich des Phasenrauschens. Seine Realisierung ist einfach und er bietet einen erheblichen Gewinn im Energieverbrauch im Vergleich zu einem entsprechenden Ozillator des Standes der Technik.

Claims (6)

1. Ozillator, umfassend vier identische, um 90° phasenverschobene Zellen, wobei das Ausgangssignal einer Zelle dem Eingang der nächsten Zelle geliefert wird und der Ausgang der vierten Zelle mit dem Eingang der ersten Zelle verbunden ist, und wobei jede Zelle einen Stromverstärker (Q₁) und einen parallelen Induktivität-Kapazität-Resonanzkreis (L₁, C₁, C₂) aufweist, der derart angeordnet ist, daß der Ausgangsstrom einer Zelle ein Bruchteil des kapazitiven Stroms des parallelen Resonanzkreises ist, wodurch die Phasenverschiebung um 90° zwischen dem Eingangsund dem Ausgangsstrom der Zelle sichergestellt wird.
2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverstärker aus einem in Basisschaltung angebrachten Transistor (Q₁) besteht, wobei der parallele Resonanzkreis im Kollektor-Schaltkreis des Transistors (Q₁) angeordnet ist.
3. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung zwischen einer Zelle und der nächsten Zelle eine kapazitive Kopplung ist.
4. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung zwischen einer Zelle und der nächsten Zelle eine induktive Kopplung ist.
5. Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Kopplung durch eine Verbindungsdrossel (L₂). hergestellt ist.
6. Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Kopplung durch den Sekundärkreis (L₃) eines Transformators realisiert ist, dessen Primärkreis die Induktivität (L₁) des Resonanzkreises bildet.