NL1005895C2

NL1005895C2 - Resonator met een selectieschakeling voor het selecteren van een resonantiemode.

Info

Publication number: NL1005895C2
Application number: NL1005895A
Authority: NL
Inventors: Christiaan Johannes Verhoeven
Original assignee: Univ Delft Tech
Priority date: 1997-04-24
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 1998-10-27
Also published as: DE69817552D1; DE69817552T2; TW418559B; US6225872B1; KR20010020248A; CA2288121A1; CA2288121C; JP2001521703A; KR100516802B1; BR9808996A; EP0978164A1; NO324663B1; NO995152L; EP0978164B1; NO995152D0; AU7085598A; WO1998048511A1; ATE248460T1; PT978164E; ES2202839T3

Description

5

Titel: Resonator met een selectieschakeling voor het selecteren van een resonantiemode.

De uitvinding heeft betrekking op een resonator voorzien van een resonerende inrichting en van een selectieschakeling voor het selecteren van een resonantiemode.

In gebruikelijke elektronische systemen kunnen resonator-oscilla-10 toren worden ontworpen door toepassing van de bekende negatieve impe-dantiestructuur, zoals bijvoorbeeld beschreven in de Ph D thesis ’’Design of High-Performance Negative-Feedback Oscillators" van C.A.M. Boon, verschenen in Delft University of Technology, 1989 en in het artikel "Low-Noise Oscillators" verschenen in "Analog Circuit Design" 15 van J.H. Huijsing et al, bij Kluwer Academic Publishers, 1996.

Bij algemeen bekende resonatoren vindt de selectie van een gewenste resonantiemode plaats door middel van een afgestemde kring.

De tot nu toe toegepaste resonatoren hebben het nadeel dat reso-nantiekringen in vergelijking tot overige onderdelen in een elektro-20 nisch circuit duur en kwetsbaar zijn en bovendien moeilijk met de gewenste eisen te integreren zijn.

De uitvinding heeft ten doel te voorzien in een resonator van de in de aanhef genoemde soort, die ten opzichte van bekende resonatoren zijn verbeterd, waarbij de bovengenoemde nadelen zijn opgeheven en 25 waarbij het probleem van nevenresonanties en dat van directe dóórspraak wordt vermeden, terwijl het in hogere modus exciteren van resonatoren op eenvoudige wijze mogelijk is.

Dit doel wordt volgens de uitvinding daardoor bereikt, dat de selectieschakeling wordt gevormd door een oscillator van de eerste 30 orde, die is voorzien van een synchronisatie-ingang en waarvan de uitgang op de excitatie-ingang van de resonerende inrichting is aangesloten, waarbij de uitgang van de resonerende inrichting met een synchronisatie-ingang van de oscillator van de eerste orde is verbonden, om deze oscillator te synchroniseren en waarbij het uitgangssignaal 35 van de resonantie is afgeleid van de resonerende inrichting of oscillator. Een zeer stabiele resonator kan met deze configuratie worden verkregen, hetgeen een verrassend resultaat is, te meer daar het gebruik maken van niet-lineaire schakelingen, zoals een dergelijke 1005895 2 oscillator niet gebruikelijk is voor het verkrijgen van een stabiele selectie van de gewenste resonantiemode.

Bij voorkeur wordt de eigen frequentie van de oscillator van de eerste orde nagenoeg gelijk gekozen aan de gewenste frequentie van het 5 uitgangssignaal van de resonator. Wanneer synchronisatie wordt bereikt, wordt de opgewekte frequentie uiteindelijk volledig bepaald door de resonerende inrichting.

Door keuze van de eigen frequentie van de oscillator van de eerste orde door middel van de frequentie-bepalende componenten daar-10 van, kan het gebied worden ingesteld, waarin synchronisatie is gehandhaafd. Op deze wijze kan elke nevenresonantie van de resonator worden geselecteerd.

Bij een uitvoeringsvorm is tussen de uitgang van de resonerende inrichting en de synchronisatie-ingang van de oscillator van de eerste 15 orde een versterker opgenomen om een zodanige synchronisatiegevoelig-heid van de oscillator te verkrijgen, dat met zekerheid het geheel resoneert op een gewenste frequentie.

Bij voorkeur is het uitgangssignaal van de oscillator van de eerste orde een blokgolf.

20 Verdere uitwerkingen van de uitvinding zijn beschreven in de volgconclusies.

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht aan de hand van de tekeningen.

In de tekeningen tonen: 25 Fig. 1 een blokschema van een resonator volgens de uitvinding;

Fig. 2 een meer in detail weergegeven resonator volgens de uitvinding;

Fig. 3 signalen in diverse punten van de schakeling van fig. 2;

Fig. 4 een diagram waaruit de grenzen van het vanggebied van 30 synchronisatie blijkt;

Fig. 5 een uitgewerkt schema is van de resonator volgens de uitvinding; en fig. 6 een zeer eenvoudige uitvoeringsvorm van de resonator volgens de uitvinding.

35 Uit het blokschema van fig. 1 blijkt het principe van de uitvin ding. De resonator bestaat uit een resonerende inrichting 2 en een oscillator 1. De resonerende inrichting kan een kwartskristal of elke andere inrichting zijn, die in één of meer resonantie modi kan reso- 1005895 3 neren.

De oscillator 1 is van de eerste orde, hierna ook wel relaxatie-oscillator genoemd, en wekt een signaal op, waarvan de frequentie wordt bepaald door frequentie bepalende componenten, zoals bijvoor-5 beeld een condensator. De frequentie van de oscillator 1 wordt ongeveer gelijk gekozen aan de gewenste frequentie van de resonator. Het op de uitgang U0 optredende uitgangssignaal van de relaxatie oscillator wordt toegevoerd aan de excitatie-ingang Ie van de resonerende inrichting 2. Dit uitgangssignaal heeft bij voorkeur de vorm van een blok.

10 Op de uitgang U2 van de resonerende inrichting 2 moet een signaal optreden, waarvan de frequentie gelijk moet zijn aan een voorafbepaalde gewenste resonatorfrequentie. Dit uitgangssignaal van de resonerende inrichting 2 wordt via een versterker V toegevoerd aan de synchronisatie-ingang Is van de relaxatie-oscillator 1. De synchroni-15 satie vindt plaats door het beïnvloeden van de omslagtijdstippen van de relaxatie oscillator.

Door de gevoeligheid van de relaxatie-oscillator voor de synchroniserende blokgolf te beperken, zal het van de frequentie van het uit de resonator afkomstige signaal afhankelijk zijn of synchronisatie al 20 dan niet optreedt. Treedt synchronisatie op, dan zal de resonantie in stand worden gehouden door energietoevoer uit de relaxatie-oscillator. Indien synchronisatie niet optreedt, zal de resonantie niet door de lus van resonerende inrichting 2 en oscillator 1 in stand worden gehouden. Gewenste oscillaties zullen dus in stand kunnen worden 25 gehouden, terwijl ongewenste nevenresonanties zullen worden onderdrukt. Het gewenste synchronisatiegebied is instelbaar door keuze van een geschikte eigen frequentie van de relaxatie-oscillator, alsmede het kiezen van de juiste gevoeligheid.

Wordt voor het uitgangssignaal van de eerste-orde-oscillator een 30 blokvormige golf gekozen, dan zal het systeem een grote ongevoeligheid hebben voor directe dóórspraak van de ingang naar de uitgang van de resonator. Door het hoogdoorlaatkarakter van de directe dóórspraak zal deze ruimschoots zijn afgenomen voorafgaand aan de volgende synchronisatie van de volgende omslag van de relaxatie-oscillator. Het synchro-35 nisatiemoment zal daardoor niet afhangen van de directe dóórspraak van de resonator.

Een resonerende inrichting met een goed gedrag heeft één resonan-tiefrequentie, waarbij de amplitude van het uitgangssignaal plotseling • ' 'J j ü 9 5 4 groot wordt en de fase tussen de ingang en de uitgang van de resonerende inrichting gelijk is aan nul. De tot nu toe voorgestelde resonerende inrichtingen voldoen niet aan de hierboven gestelde eisen, omdat er bijvoorbeeld veel overspraak optreedt met als gevolg faseverschil-5 len van de resonerende inrichting.

Eerst met de resonator volgens de uitvinding kunnen de hierboven genoemde problemen worden opgeheven.

Een meer gedetailleerd schema van de resonator volgens de uitvinding is in fig. 2 getoond. De resonerende inrichting 2 van de resona-10 tor is aangevuld met een oscillator van de eerste orde, waarvan de functies gescheiden zijn aangegeven.

De oscillator van de eerste orde of relaxatie-oscillator heeft een integratiefunctie, een vergelijkingsfunctie, een schakelfunctie van het teken van de integratie en een geheugenfunctie.

15 De integratie wordt gevormd door de condensator C, die wordt opgeladen door de stroombron I: die in twee richtingen stroom kan leveren. De schakelfunctie is met de pijlen en P5 schematisch weergegeven. Door middel van een stroom in de ene richting wordt de condensator C opgeladen, terwijl een stroom in de andere richting deze con-20 densator zal ontladen. Door het telkens omschakelen van de stroombron Ix ontstaat op het verbindingspunt tussen stroombron Ij en condensator C een zaagtandspanning u2. De vergelijkingsfunctie wordt uitgevoerd door de vergelijkers COMP 1 en COMP 2. De zaagtandspanning u2 wordt toegevoerd aan een ingang van zowel de vergelijker COMP 1 als de ver-25 gelijker COMP 2. Op de andere ingangen van de vergelijkers COMP 1 en COMP 2 zijn de referentiebronnen Erl en ErZ aangesloten.

De geheugen functie wordt bij de getoonde uitvoeringsvorm geïmplementeerd door de S-R-latch L. De uitgang van de vergelijker COMP 1 is verbonden met de ingang S van de latch L en de uitgang van de ver-30 gelijker COMP 2 met de ingang R van de genoemde latch L. De uitgang Q van de latch is verbonden met de excitatie-ingang Ie van de resonerende inrichting 2 en met de stuur- of schakelingang P3 van de stroombron II. Het op de uitgang U2 optredende uitgangssignaal van de resonerende inrichting 2 moduleert de referentiebronnen Erl en Er2, hetgeen schema-35 tisch is aangegeven met de pijlen PI en P2.

De oscillatiefrequentie van de oscillator van de eerste orde wordt bepaald door de vergelijking: 1005895 5

fo,c = I

5 waarbij VMp de amplitude is van de zaagtandgolf uz over de condensator C, zodat de oscillatiefrequentie lineair kan worden afgestemd door het lineair variëren van de oplaadstroom. De periode van de oscillator kan lineair worden gewijzigd door het lineair veranderen van de amplitude van de oscillatie of de waarde van de condensator C.

10 Aangezien de stroom in de condensator wordt geïntegreerd kan de oscillator worden gesynchroniseerd en worden vergrendeld door modulatie van de referentiebronnen van de vergelijkers. Op eenvoudige wijze kan het uitgangssignaal van de resonerende inrichting worden opgeteld bij de spanning van de referentiebronnen Eri en Er2. De schakeling is 15 dan zodanig ontworpen, dat de nuldoorgang van de sinusgolf uit de resonerende inrichting de oscillator van de eerste orde synchroniseert. Daarom zijn er geen specifieke eisen met betrekking tot de lineariteit van de versterker die het resonatoruitgangssignaal bewerkt en zelfs kan een simpele begrenzer worden toegepast.

20 In fig. 3 is het gedrag van de resonator weergegeven door middel van de daarin optredende signalen. In fig. 3 is de stationaire oscil-latietoestand van de resonator getoond. Als resonator werd hierbij een op 1 MHz resonerende inrichting gebruikt met een kwaliteitsfactor Q van slechts 10. In fig. 3 is met het verwijzingsteken U2 het blokvor-25 mige uitgangssignaal van de latch aangegeven, met het verwijzingsteken Uz de driehoekvormige spanning over de condensator van de oscillator van de eerste orde en met het verwijzingsteken Ur het uitgangssignaal van de resonator aangegeven.

Uit fig. 3 blijkt duidelijk, dat door de uitgangspanning van de 30 resonerende inrichting de omslag van de relaxatie-oscillator van de opladende fase in de ontladende fase en omgekeerd wordt gesynchroniseerd of getriggerd.

Niet-ideale eigenschappen van de componenten van de schakeling, zoals misaanpassing en ruis in oplaad- en ontlaadstromen, misaanpas-35 sing en ruis in de referentieniveaus en vertragingen in het synchroni-satietraject kan de faserelatie van de signalen beïnvloeden. Het is gebleken, dat de invloed van deze niet-ideale eigenschappen op effectieve wijze kan worden opgeheven door versterkingsfactoren in de syn-chronisatieweg. Bijvoorbeeld kan een versterker worden opgenomen tus- 100589 5 6 sen de uitgang van de resonerende inrichting en de modulatie-ingang van de referentiebronnen.

Uit fig. 4 kunnen de grenzen van het vangbereik worden afgeleid. In deze figuur zijn drie situaties van de oscillator getoond. In fig.

5 4 (b) ligt de oscillator in het midden van het vanggebied. De frequen tie van de resonator is thans precies gelijk aan de eigenfrequentie van de oscillator van de eerste orde. Zoals eerder vermeld worden de vergelijkingsniveaus gemoduleerd door het uitgangssignaal van het resonerende element om de synchroniserende blokgolven te verkrijgen.

10 In fig. 4 (a) heeft de oscillator van de eersteorde zijn hoogst mogelijke (gesynchroniseerde) frequentie. In fig. 4 (c) heeft de oscillator echter zijn laagst mogelijke (gesynchroniseerde) frequentie. Opgemerkt wordt dat in al deze figuren de oplaadstroom van de condensator gelijk is.

15 Thans wordt de amplitude van het modulatieniveau E^ en de compa- ratorniveau Ex en Eh, gelijk maar tegengesteld, gedefinieerd. Wanneer de absolute waarde van Ex en E*, gelijk is gesteld aan E wordt het vangbereik van de oscillator van de eerste orde bepaald door:

I I

20 - < f < -

4(E ♦ Emod) C 4(E - Emod) C

Wanneer de resonantie van de resonator niet binnen deze grenzen 25 ligt, zullen bijna alle overgangen worden geïnitieerd door de eersteorde oscillator en het systeem is niet in synchronisatie.

In fig. 5 is een gedetailleerd schema van een resonator volgens de uitvinding getoond.

De vergelijkers zijn geïmplementeerd door NE527, de latch door 74 30 HCT02 en de condensator wordt gevormd door de parallelschakeling van de condensatoren Cl en Cv. Deze condensatorschakeling wordt opgeladen door de transistor Tl en ontladen door de transistor T2. Het schakelen van de oplaad- naar de ontlaadfase en omgekeerd wordt gestuurd door het uitgangssignaal van de latch, dat wordt toegevoerd aan de bases 35 van de transistor T2.

De vergelijkingsniveaus van de vergelijkers wordt gevormd door de spanningsdelers bestaande uit de weerstanden R1 en R2, respectievelijk R3 en R4. Het uitgangssignaal van het resonerende element wordt via de weerstanden R5 respectievelijk R6 toegevoerd aan het verbindingspunt 40 van de weerstanden van de spanningsdelers en als het ware opgeteld bij t0 0 b o 9 5 7 de door de spanningsdelers ingestelde referentiespanningen van de vergelijkers.

In fig. 6 is een zeer eenvoudige uitvoering van de resonator volgens de uitvinding getoond.

5 Deze uitvoering bestaat uit twee transistoren Tl en T2. De col lector van de transistor Tl en de collector van de transistor T2 zijn via de weerstanden R7 respectievelijk R8 met de ene polariteit van de voedingsspanning Ub verbonden. De emitters van de transistoren T3 en T4 zijn via referentiebronnen Irx en Ir2 met de andere polariteit van 10 de voedingsspanning Ub verbonden. Tussen de emitters van de transistoren T3 en T4 is de condensator C als frequentie bepalende component van de oscillator aangesloten. Het resonerende element is tussen de collectors van de transistoren T3 en T4 opgenomen. De basis van de transistor T3 is met de collector van de transistor T4 verbonden, 15 terwijl de basis van de transistor T4 met de collector van de transistor T3 is verbonden.

Gebleken is dat door middel van slechts twee transistoren, een condensator en een klein aantal weerstanden een zeer goed werkende resonator volgens de uitvinding kan worden ontworpen.

20 De uitvinding kan met groot voordeel worden toegepast bij kristal oscillatoren die stabiel moeten resoneren in een gewenste hogere modus. Voor deze toepassing is de uitvinding zeer geschikt. Behalve de verkregen grote stabiliteit van de resonator is de resonatorschakeling klein van afmeting en goedkoop.

25 De schakeling is geheel integreerbaar, in tegenstelling tot de huidige overtone oscillatoren, waarbij de extra filtering om een resonator op de gewenste frequentie te laten resoneren hooguit ten dele integreerbaar is.

Voorts is de schakeling zeer geschikt voor het in resonantie 30 brengen van twee-poort resonatoren, zoals die bijvoorbeeld door middel van micro-machining op éen chip gemaakt kunnen worden. Deze resonatoren ondervinden gebruikelijk bijzonder veel last van overspraak.

Deze last behoort bij de voorgestelde schakeling tot het verleden.

Voorts is de uitvinding zeer geschikt voor het in resonantie 35 brengen van resonatoren die op een chip moeten worden gerealiseerd. Deze on-chip resonatoren hebben door de wijze van fabricage vaak last van directe overspraak (dóórspraak), voor welke overspraak de resonator volgens de uitvinding zeer ongevoelig is.

1005895 8 , De uitvinding is ook nog geschikt voor resonerende sensoren, in het bijzonder voor toepassingen waarin miniatuur-sensoren gewenst zijn.

5 io0 539 5 '

Claims

1. Resonator voorzien van een resonerende inrichting en van een selectieschakeling voor het selecteren van een resonantiemode , met 5 het kenmerk, dat de selectieschakeling wordt gevormd door een oscillator van de eerste orde, die is voorzien van een synchronisatie-ingang en waarvan de uitgang op de excitatie-ingang van de resonerende inrichting is aangesloten, waarbij de uitgang van de resonerende inrichting met de synchronisatie-ingang van de oscillator van de eer-10 ste orde is verbonden, om deze oscillator te synchroniseren en waarbij het uitgangssignaal van de resonator is afgeleid van de resonerende inrichting of oscillator.

2. Resonator volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eigen frequentie van de oscillator van de eerste orde nagenoeg gelijk is aan 15 de gewenste frequentie van het uitgangssignaal van de resonator.

3. Resonator volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het synchronisatiegebied instelbaar is door keuze van de eigen frequentie van de oscillator van de eerste orde.

4. Resonator volgens conclusie 1, 2 of 3. met het kenmerk, dat 20 tussen de uitgang van de resonerende inrichting en de synchronisatie- ingang van de oscillator van de eerste orde een versterker is opgenomen voor het instellen van de synchronisatiegevoeligheid van de oscillator.

5· Resonator volgens een van de conclusies 1-4, met het kenmerk. 25 dat het uitgangssignaal van de oscillator van de eerste orde een blok-golf is.

6. Resonator volgens een van de conclusies 1-5, waarbij de oscillator omvat een condensator en een daarop aangesloten door middel van een stuuringang omschakelbare stroombron voor het afwisselend op- en 30 ontladen van deze condensator, en twee comparatoren, waarvan de ene ingangen zijn verbonden met het verbindingspunt vein de condensator en de omschakelbare stroombron, waarvan de andere ingangen elk op een referentiebron zijn aangesloten en waarvan de uitgang is aangesloten op een geheugenschakeling, waarvan het uitgangssignaal een eerste 35 niveau heeft wanneer de ene comparator een uitgangssignaal levert en een tweede niveau heeft wanneer de tweede comparator een uitgangssignaal levert, waarbij de uitgang van de geheugenschakeling is verbonden met de ingang van de resonerende inrichting en de stuuringang van de 10. o o S 6 omschakelbare stroombron en waarbij het uitgangssignaal van de resonerende inrichting de referentiebronnen moduleert.

7. Resonator volgens conclusie 6, waarbij het uitgangssignaal van de resonator wordt opgeteld bij de spanning van de referentiebronnen.

8. Resonator volgens conclusie 6 of 7. met het kenmerk, dat tus sen de uitgang van de resonerende inrichting en de referentie-bronnen een versterker is aangesloten.

9· Resonator volgens conclusie 6, 7 of 8, met het kenmerk, dat de geheugenschakeling een latch is.

10. Resonator volgens conclusie 1, gekenmerkt door een eerste en een tweede transistor, waarvan twee collectors door middel van een collectorweerstand op de ene polariteit van een voedingsspanning en waarvan de emitters via een emitterweerstand op de andere polariteit van de voedingsspanning zijn aangesloten, waarbij telkens de basis van 15 een transistor met de collector van de andere transistor is verbonden, waarbij een condensator tussen de emitters van de transistoren is opgenomen en waarbij een resonerende inrichting tussen de collectors van de transistoren is geschakeld. 1005895