NL8701462A - Relaxatie-oscillator. - Google Patents

Description

* « PHN 12.159 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven Relaxatie-oscillator.

De uitvinding heeft betrekking op een relaxatie-oscillator eet een condensator, een oplaad- en een ontlaadschakeling, schakelmiddelen om in een eerste stand de condensator met behulp van de oplaatschakeling op te laden en om in een tweede stand de condensator 5 met behulp van de ontlaadschakeling te ontladen, en met een terugkoppelschakeling, welke, nadat de condensatorspanning een eerste waarde heeft bereikt, een eerste terugkoppelsignaal afgeeft om de schakelmiddelen vanuit de eerste in de tweede stand te brengen, en welke, nadat de condensatorspanning een tweede waarde heeft bereikt, een 10 tweede terugkoppelsignaal afgeeft om de schakelmiddelen vanuit de tweede in de eerste stand te brengen.

Een dergelijke relaxatie-oscillator is bekend uit IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-18, No. 6, december 1983, pagina's 794-801. Daarbij wordt de terugkoppelschakeling gevormd door 15 een flipflopschakeling. Zodra de condensatorspanning een van de triggerpunten van de flipflopschakeling overschrijdt, klapt deze om en worden de schakelmiddelen in de eerste of tweede stand gebracht. Een dergelijke relaxatie-oscillator levert een driehoekspanning, waarvan de piek-piek-waarde wordt bepaald door onder meer de genoemde eerste en 20 tweede spanningswaarde, de hysterese van de flipflopschakeling en de aanwezige rondgaande versterking op het schakelmoment. In het voornoemde artikel zijn, al dan niet expliciet, een aantal mogelijkheden gegeven om het ruisgedrag van de relaxatie-oscillatoren te verbeteren, te weten.· het vergroten van de condensatordriehoekspanning, het vergroten van de 25 rondgaande versterking op het schakelmoment, het verminderen van de invloed van de hysterese van de flipflopschakeling en het snel omschakelen van de stroom met een snelle flipflopschakeling.

Het ruisprobleem in relaxatie-oscillatoren kan veelal worden vermeden door ruisarmere typen oscillatoren toe te passen. Gezien 30 echter de voordelen, die een relaxatie-oscillator biedt, zoals een groot afstembaar frequentiegebied en de integreerbaarheid op een IC, is het gewenst het ruisgedrag van de relaxatie-oscillatoren verder te 8701462 PHN 12.159 2 verbeteren.

Het doel van de uitvinding is dan ook een relaxatie-oscillator te verschaffen, welke een verder verbeterd ruisgedrag vertoont.

5 Overeenkomstig de uitvinding heeft de relaxatie- oscillator, zoals deze in de aanhef is omschreven, daartoe het kenmerk, dat de terugkoppelschakeling twee onafhankelijk van elkaar werkzame schakelelementen omvat, waarvan een eerste, zodra de condensatorspanning de eerste waarde heeft bereikt, de vorming van het eerste 10 terugkoppelsignaal bewerkstelligt, en de tweede, zodra de condensatorspanning de tweede waarde heeft bereikt, de vorming van het tweede terugkoppelsignaal bewerkstelligt. In de, in figuur 17 in het voornoemde tijdschriftartikel afgebeelde uitvoeringsvorm van een relaxatie-oscillator is de terugkoppelschakeling voorzien van twee 15 onafhankelijk van elkaar werkzame transistorparen, aangebracht in een verschilversterkerconfiguratie; doordat in de onderhavige uitvinding gebruik wordt gemaakt van slechts twee onafhankelijk van elkaar werkzame schakelelementen, dat wil zeggen enkel twee onafhankelijk van elkaar werkzame transistoren (npn of pnp) of mosfets, zal het ruisgedrag van de 20 relaxatie-oscillator overeenkomstig de uitvinding veel gunstiger zijn.

In een bijzondere uitvoeringsvorm worden de beide schakelelementen gevormd door transistoren, waarvan de basis en de emitter, in een onderling tegengesteld gerichte polariteit over de condensator zijn aangesloten, terwijl de beide terugkoppelsignalen worden afgeleid uit de 25 desbetreffende collectorspanningswaarden van deze transistoren.

Desgewenst kunnen in de basis- en/of emitterleiding nog dioden worden opgenomen. De schakelelementen en in het bijzonder de transistoren vervullen hier een dubbele funktie; enerzijds fungeren ze als comparator voor de condensatorspanning om de terugkoppelsignalen voor de 30 schakelmiddelen af te leiden, anderzijds vormen ze een nauwkeurig gedefinieerde begrenzing voor de condensatorspanning.

Verder kan de terugkoppelschakeling, eveneens overeenkomstig de uitvinding, een op de beide schakelelementen aangesloten laagdoorlaatfilter omvatten. Dit laagdoorlaatfilter geeft 35 eveneens een verbetering te zien van het ruisgedrag van de relaxatie-oscillator; het introduceert echter wel een vertraging in het omschakelen van de schakelmiddelen. Doch door de begrenzing, die de 8701 A 6 2.

* PHN 12.159 3 schakelelementen voor de condensator vormen, zal ondanks deze vertraging de condensatorspanning gedurende deze vertragingstijd op een vaste waarde worden gehouden.

De relaxatie-oscillator kan verder, overeenkomstig de 5 uitvinding, worden opgenomen in een geïntegreerde schakeling.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de bijgaande tekeningen, waarvan: figuur 1 het principeschema toont van het bekende type relaxatie-oscillator; 10 figuur 2 een uitvoeringsvoorbeeld toont van een relaxatie- oscillator overeenkomstig de uitvinding; en figuur 3 een diagram toont ter toelichting van de werking van de in figuur 2 afgeheelde uitvoeringsvorm.

Overeenkomstige delen in de figuren zijn met gelijke 15 verwijzingscijfers aangegeven. Het aan de hand van de tekeningen te beschrijven uitvoeringsvoorbeeld dient niet als een beperking van de uitvinding te worden beschouwd; dit uitvoeringsvoorbeeld dient slechts ter illustratie van de uitvinding.

De in figuur 1 schematisch afgebeelde relaxatie-20 oscillator omvat een condensator 1, een oplaadschakeling 2, een ontlaadschakeling 3, een schakelaar 4 en een terugkoppelschakeling 5. De oplaad- en de ontlaadschakeling 2, respektievelijk 3, zijn in figuur 1 aangegeven als stroombronnen, welke een stroom I trekken. Indien de schakelaar 4 in een eerste (de in figuur 1 afgebeelde) stand verkeert, 25 wordt de condensator 1 door de stroombron 2 opgeladen; wordt de schakelaar 4 in de tweede stand gebracht, dan wordt door de stroombron 3 een ontlaadstroom I van de condensator 1 getrokken. De capaciteit C van de condensator 1 is verder zodanig, dat bij het opladen en het ontladen van een vrijwel lineair spanningsverloop over de condensator aanwezig 30 is, zodat uiteindelijk een vrijwel driehoekig spanningsverloop over de condensator komt te staan.

De condensator Vc wordt toegevoerd aan de terugkoppelschakeling 5. Hierin wordt deze vergeleken met een eerste, hogere spanningswaarde Vref.1 en met een tweede, lagere spanningswaarde 35 Vref.2. Bereikt de condensatorspanning de waarde Vref.1, dan wordt door de terugkoppelschakeling 5 een eerste terugkoppelsignaal afgegeven, dat de schakelaar 4 vanuit de eerste in de tweede stand brengt, zodat de Ö701462 PHN 12,159 4 r condensator 1 wordt ontladen en de condensatorspanning Vc derhalve afneemt. Zodra vervolgens de condensatorspanning Vc de waarde Vref.2 heeft bereikt, dan geeft de terugkoppelschakeling 5 een tweede terugkoppelsignaal af, dat de schakelaar 4 vanuit de tweede in de eerste 5 stand brengt, zodat de condensator 1 weer wordt opgeladen en de condensatorspanning Vc derhalve weer toeneemt.

In de in figuur 2 afgebeelde uitvoeringsvorm overeenkomstig de uitvinding worden de stroombronnen 2 en 3 tezamen met de schakelaar 4 gevormd door een brugschakeling, waarin de condensator 1 10 is opgenomen. Deze brugschakeling is opgebouwd uit de transistoren T1, T2, T4, T5, T7 en T8, de stroombronnen 6 en 7 en de weerstanden 8, 9, 10 en 11. De condensator 1 wordt bijvoorbeeld opgeladen als de transistoren T1, T2 open en de transistoren T4, T5 gesperd zijn. De condensator 1 wordt ontladen, dat wil zeggen opgeladen met een tegengestelde 15 polariteit, als de transistoren T1, T2 gesperd zijn en de transistoren T4, T5 geleiden. De oplaadstroom loopt via de weerstand 9, de transistor T1, de condensator 1, de transistor T2 en de stroombron 7. Hierbij dient de spanning op de leiding 12 zodanig "hoog" te zijn, dat de transistoren T2 en T7 open zijn, waardoor een zodanige spanningsval over de weerstand 20 11 optreedt, dat de basisspanning van de transistor T4 "laag" is en deze transistor is derhalve gesperd. Verder dient hierbij tevens de spanning op de leiding 13 zodanig "laag" te zijn, dat de transistoren T5 en T8 gesperd zijn, waardoor de basisspanning van de transistor T1 "hoog" is en deze transistor derhalve geleidend is.

25 Bij het ontladen van de condensator 1 loopt de ontlaadstroom via de weerstand 10, de transistor T4, de condensator 1, de transistor T5 en de stroombron 7. Daarbij dient de spanning op de leiding 12 zodanig "laag" de zijn, dat de transistoren T2 en T7 gesperd zijn, waardoor de basisspanning van de transistor T4 "hoog" is en deze 30 transistor derhalve geleidt. Verder dient daarbij de spanning op de leiding 13 zodanig "hoog" te zijn, dat de transistoren T5 en T8 geleidend zijn, waardoor een spanningsval over de weerstand 8 optreedt zodanig dat de basisspanning van de transistor T1 "laag" is en deze transistor dus gesperd is. Tijdens het opladen dient derhalve de 35 spanning op de leiding 12 "hoog" te zijn en die op de leiding 13 "laag", terwijl bij ontladen, dat wil zeggen bij opladen met een tegengestelde polariteit, de spanning op de leiding 12 "laag" en die op de leiding 13 870 1 462 * PHN 12.159 5 "hoog" is.

Over de condensator 1 zijn twee schakelelementen aangebracht, welke hier worden gevormd door de transistoren T3 en T6.

Deze transistoren zijn met de basis en de emitter in onderling 5 tegengesteld gerichte polariteit over de condensator 1 geschakeld.

Tijdens het opladen van de condensator 1 neemt de spanning hierover toe totdat de basis-emitterspanning Vbe(T3) van de transistor T3 is bereikt en deze in geleiding gaat. Evenzo neemt tijdens het ontladen, dat wil zeggen het opladen met tegengestelde polariteit, de spanning over de 10 condensator 1 af totdat deze in negatieve zin zodanig is toegenomen, dat de basis-emitterspanning Vbe(T6) van de transistor T6 is bereikt en deze transistor gaat geleiden. De condensatorspanning beweegt zich derhalve tussen twee waarden Vref.1 en Vref.2, waarvoor geldt, dat

Vref.1 - Vref.2 = Vbe(T3) + Vbe(T6).

15 Tussen de basis van de transistoren T3 en T6 en de desbetreffende aansluiting op de condensator 1 kunnen dioden worden aangebracht. Evenzo kunnen dioden worden aangebracht tussen de emitter van de transistoren T3 en T6 en de desbetreffende andere aansluiting op de condensator 1.

Tijdens het opladen is de transistor T4 gesperd; als de 20 condensatorspanning zijn bovengrens heeft bereikt en de transistor T3 gaat geleiden, loopt er een toenemende stroom via de weerstand 10 en de transistor T3, welke wordt ontrokken aan de oplaadstroom door de weerstand 9 en de transistor T1; de totale stroom, die de stroombron 7 via de transistor T2 trekt, blijft constant. Het gevolg is, dat de 25 spanning in het punt P omhoog gaat en die in het punt Q omlaag. Deze verandering van de spanningswaarden VP en VQ bewerkstelligt, dat via een teurgkoppelschakeling, waarin in de hier beschreven uitvoeringsvorm een laagdoorlaatfilter 14 en een regelversterker 15 zijn opgenomen, de spanningswaarden op de leidingen 12 en 13 "omklappen" en "laag", 30 respektievelijk "hoog" worden, met het gevolg, dat de condensator 1 wordt ontladen totdat de condensatorspanning zijn benedengrens heeft bereikt en de transistor T6 gaat geleiden. Tijdens het ontladen wordt de transistor T3 weer gesperd. Zodra de transistor T6 gaat geleiden, zal er een toenemende stroom gaan lopen via de weerstand 9 en de transistor T6,

35 welke wordt ontrokken aan de ontlaadstroom door de weerstand 10 en de transistor T4; de totale stroom, die de stroombron 7 via de transistor T5 trekt, blijft constant. Het gevolg is, dat de spanning in het punt P

8701462

V

PHN 12.159 6 omlaag gaat en die in het punt Q omhoog. Deze verandering van de spanningswaarde VP en VQ bewerkstelligt, dat via de genoemde terugkoppelschakeling de spanningswaarden op de leidingen 12 en 13 weer naar de eerst genoemde waarden 'terugklappen", zodat de 5 condensatorspanning weer kan toenemen. De transistoren T3 en T6 bepalen derhalve enerzijds het moment, waarop de toename, respektievelijk de a£name van de condensatorspanning moet worden afgebroken, terwijl zij anderzijds bewerkstelligen, dat, zolang het condensatorspanningsverloop in omgekeerde richting nog niet is ingezet, de condensatorspanning op 10 een constante waarde wordt gehouden. Het tijdsverschil tussen het open gaan van de transistoren T3, respektievelijk T6, en het inzetten van het omgekeerde spanningsverloop over de condensator is het gevolg van de vertraging in de terugkoppelschakeling, in het bijzonder veroorzaakt door het laagdoorlaatfilter 14. Dit filter is weliswaar ten zeerste 15 gewenst om het ruisgedrag van de relaxatie-oscillator te verbeteren, doch introduceert een vertraging. Gedurende deze vertragingstijd wordt de condensatorspanning constant gehouden. In figuur 3 is het spanningsverloop over de condensator 1 weergegeven, zich bewegend tussen de twee waarden Vref.1 en Vref.2 met telkenmale een vertraging 20 Het zal duidelijk zijn, dat de begrippen "laden" en "ontladen" in de hier gegeven beschrijving zonder meer kunnen worden verwisseld en dat diverse modificaties in de in figuur 2 afgebeelde schakeling kunnen worden aangebracht zonder de omvang van de uitvinding te buiten te gaan. Zoals reeds vermeld, kunnen bijvoorbeeld dioden 25 worden opgenomen in de basis- en emitterleidingen van de transistoren T3 en T6.

8701 462.

Claims (4)

1. Relaxatie-oscillator met een condensator, een oplaad- en een ontlaadschakeling, schakelmiddelen om in een eerste stand de condensator met behulp van de oplaadschakeling op te laden en om in een tweede stand de condensator met behulp van de ontlaadschakeling te 5 ontladen, en met een terugkoppelschakeling, welke, nadat de condensatorspanning een eerste waarde heeft bereikt, een eerste terugkoppelsignaal afgeeft om de schakelmiddelen vanuit de eerste in de tweede stand te brengen, en welke, nadat de condensatorspanning een tweede waarde heeft bereikt, een tweede terugkoppelsignaal afgeeft om de 10 schakelmiddelen vanuit de tweede in de eerste stand te brengen, met het kenmerk, dat de terugkoppelschakeling twee onafhankelijk van elkaar werkzame schakelelementen omvat, waarvan een eerste, zodra de condensatorspanning de eerste waarde heeft bereikt, de vorming van het eerste terugkoppelsignaal bewerkstelligt, en de tweede, zodra de 15 condensatorspanning de tweede waarde heeft bereikt, de vorming van het tweede terugkoppelsignaal bewerkstelligt.

2. Relaxatie-oscillator volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de beide schakelelementen worden gevormd door transistoren, waarvan de basis en de emitter, in een onderling tegengesteld gerichte 20 polariteit over de condensator zijn aangesloten, terwijl de beide terugkoppelsignalen worden afgeleid uit de desbetreffende collectorspanningswaarden van deze transistoren.

3. Relaxatie-oscillator volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de terugkoppelschakeling een, op de beide schakelelementen 25 aangesloten laagdoorlaatfilter omvat.

4. Geïntegreerde schakeling, voorzien van een relaxatie-oscillator volgens één der voorgaande conclusies. 870 1 46 2.