NL8900203A - In fase regelbare oscillator. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

In fase regelbare oscillator.

De uitvinding heeft betrekking op een oscillator met een kapaciteit, oplaad- en ontlaadmiddelen voor het opladen, respektievelijk ontladen van de kapaciteit, terugkoppelmiddelen voor het in afhankelijkheid van een oscillatorsignaal aktiveren van de oplaad- en ontlaadmiddelen, en met een versterker voor het versterken van een kapaciteitsspanning.

Een dergelijke oscillator is algemeen bekend, bijvoorbeeld als een multivibrator in de vorm van twee kruiselings gekoppelde inverteerschakelingen, tussen niet-inverterende uitgangen waarvan de kapaciteit is gekoppeld. Ten behoeve van het genereren van twee blokgolfsignalen, die negentig graden onderling in fase zijn verschoven is voorzien in een over de kapaciteit aangesloten verschilversterker. Een eerste blokgolfsignaal is beschikbaar tussen inverterende uitgangen van de inverteerschakelingen, een tweede blokgolfsignaal is beschikbaar op komplementaire uitgangen van de verschilversterker. Een nadeel van de bekende oscillator is, dat een faseverschil optreedt tussen de beide blokgolfsignalen dat bijvoorbeeld afhankelijk is van spreiding in technologie-afhankelijke parameters en van frequentie-selektieve parasitaire effekten. Deze parasitaire effekten treden vooral sterker op, naarmate een oscillatiefrequentie hoger wordt.

Een verder nadeel van de bekende oscillator is, dat het faseverschil niet regelbaar is om bijvoorbeeld te kompenseren voor de genoemde storende effekten.

De uitvinding beoogt daarom te voorzien in een oscillator van de in de aanhef vermelde soort, waarbij het faseverschil wel instelbaar is, zodat bijvoorbeeld voor de eerder genoemde storende effekten kan worden gekompenseerd.

Een oscillator volgens de uitvinding wordt daartoe gekenmerkt, doordat de versterker een regelingang heeft voor het instellen van een faseverschil tussen een nuldoorgang van een versterkeruitgangssignaal enerzijds en een referentiefase in het oscillatorsignaal anderzijds. Door instellen van het omslagpunt van de verschilversterker is het faseverschil tussen een nuldoorgang van het blokgolfsignaal op de verschilversterkeruitgang enerzijds en een referentiefase in het oscillatorsignaal anderzijds te regelen.

Een uitvoeringsvorm van een oscillator volgens de uitvinding wordt gekenmerkt, doordat is voorzien in schakelmiddelen voor het onder besturing van het oscillatorsignaal ompolen van de regelingang. Door ompolen van de regelingang wordt de blokvorm (duty cycle) van het blokgolfsignaal op de verschilversterkeruitgang konstant gehouden.

Een verdere uitvoeringsvorm van een oscillator volgens de uitvinding wordt gekenmerkt, doordat voorzien is in een regellus met een faseverschildetektor voor het in afhankelijkheid van het oscillatorsignaal en het versterkeruitgangssignaal opwekken van een regelsignaal voor de regelingang. Door middel van de regellus is het faseverschil het oscillatorsignaal enerzijds en het versterkeruitgangssignaal anderzijds op een voorafbepaalde konstante waarde te houden.

De uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van een tekening, waarin: figuur 1 een voorbeeld van een multivibrator volgens de uitvinding toont, figuren 2A tot en met 2E het verloop van verscheidene signalen tonen in de multivibrator van figuur 1, figuren 3, 4 en 5 voorbeelden geven van regelbare verschilversterkers voor toepassing in een multivibrator volgens figuur 1, en figuur 6 een multivibratorschakeling toont met een regellus en schakelmiddelen voor het periodiek ompolen van het regelsignaal.

In figuur 1 is een multivibratorschakeling volgens de uitvinding schematisch weergegeven. De multivibrator omvat een eerste inverteerschakeling met een serieschakeling van een weerstand 10, een stroomgeleidingspad van transistor 12 en stroombron 14, en een tweede inverteerschakeling met een serieschakeling van weerstand 16, een stroomgeleidingspad van transistor 18 en een stroombron 20. De inverteerschakelingen hebben hun inverterende uitgangen onderling kruiselings verbonden met hun ingangen. De niet-inverterende uitgangen 23 en 25 zijn onderling gekoppeld via kapaciteit 22. Over kapaciteit 22 is een verschilversterker 24 aangesloten. In het ideale geval staat over de kapaciteit een zaagtandspanning Vc, die door de versterker 24 wordt omgezet in een blokspanning V2, welke blokspanning V2 negentig graden in fase verschilt met de blokspanning tussen de inverterende uitgangen. Echter, door aanwezigheid van storende invloeden, bijvoorbeeld in de vorm van parasitaire kapaciteiten 26 en 28, treden er vertragingen op bij het omschakelen van de transistoren. Dit is als volgt in te zien. Bij wijze van voorbeeld wordt uitgegaan van een toestand waarin transistor 12 geleidt en transistor 18 spert. De spanning op de emitter van transistor 22 stijgt omdat transistor 12 meer stroom aan kapaciteit 22 toevoert dan stroombron 14 afvoert. De spanning op de emitter van transistor 18 daalt als gevolg van het ontladen van kapaciteit 22 door stroombron 20. Is de emitterspanning van transistor 18 zover beneden diens basisspanning gedaald dat transistor 18 gaat geleiden, dan stokt de genoemde ontlading. Bij de overgang van sperren naar geleiden van transistor 18 zou tegelijkertijd een overgang van geleiden naar sperren van transistor 12 optreden, ware het niet dat de parasitaire kapaciteit 26 nog lading vasthoudt en daardoor een traagheid in de werking introduceert. Tengevolge van die traagheid is er een tijdspanne, indikatief voor de grootte van de parasitaire kapaciteit 26, gedurende welke beide transistoren 12 en 18 geleiden. Hierbij stijgen de spanningen op knopen 26 en 28 evenveel, zodat de spanning Vc over kapaciteit 22 gedurende die tijdspanne nagenoeg gelijk blijft. Zodra echter de parasitaire kapaciteit 26 zover is ontladen dat de basisemitterspanning van transistor 12 beneden de schakeldrempel komt, spert transistor 12 en verandert dientengevolge de spanning Vc door toedoen van stroombron 14. In figuur 2A is deze spanning Vc als functie van de tijd weergegeven. Tussen opeenvolgende flanken van de zaagtandspanning Vc is er een tijdsinterval, waarin de kapaciteitsspanning nagenoeg gelijk blijft, zoals boven is beschreven.

In figuur 2B is de uitgangsspanning getekend. De overgangen in het blokgolfsignaal hangen samen met de momenten waarop de betreffende parasitaire kapaciteit 26 of 28 is ontladen een transistor 12 of 18 gaat sperren. Het vertragingseffekt uit zich dus ook in uitgangsspanning V-j.

In figuur 2C is het ongekorrigeerde uitgangssignaal V2 van versterker 24 getoond. Dit blokgolfsignaal V2 heeft overgangen tussen twee logische toestanden op het moment waarop de kapaciteitsspanning nagenoeg nul is onder de voorwaarde dat de offsetspanning Vcomp van de versterker 24 nul is. De faserelatie tussen het blokgolfsignaal V1 en het ongekorrigeerde uitgangssignaal V2 is nu geen negentig graden, als gevolg van de vertraging die het eerste blokgolfsignaal heeft opgelopen. De afwijking van deze negentig graden is in de tekening weergegeven met de aanduiding d. Om het faseverschil te herstellen tussen de overgangen van logisch laag naar logisch hoog van de blokgolfsignalen en V2 zou uitgangssignaal V2 vertraagd moeten worden overeenkomstig de afwijking d. Dit is mogelijk door het omslagpunt van komparator 24 niet op nul maar op een kompensatiespanning Vcomp (offset) ongelijk nul te zetten. Dit is in figuur 2D weergegeven met uitgangsspanning V2'. De genoemde overgangen van logisch laag naar logisch hoog lopen nu weer negentig graden met elkaar uit fase. Een bijwerking van het instellen van de korapensatiewaarde is, dat de blokvorm (duty cycle) van V2' verandert, doordat de overgang van logisch hoog naar logisch laag in het signaal optreedt voorafgaande aan de nuldoorgang van kapaciteitsspanning Vc. Wordt de neergaande flank in signaal V2' over een afstand 2d verschoven, zoals is weergegeven in figuur 2E, dan ontstaat als resultaat het signaal V2". Voor het realiseren van de verschuiving dient de kompensatiespanning Vcomp periodiek tussen positief en negatief omgeschakeld te worden.

In de figuren 3, 4 en 5 zijn enkele varianten gegeven voor verschilversterkers met een regelbaar omslagpunt, die geschikt zijn voor samenwerking met een multivibrator van het beschreven type. De in figuur 3 getoonde regelbare verschilversterker omvat een verschilversterker-transistorpaar met transistoren 30 en 32. Een stuurelektrode van transistor 30 is aangesloten op een eerste stroomtak met daarin een transistor 34, een weerstand 36 en een transistor 42. Een stuurelektrode van transistor 32 is aangesloten op een tweede stroomtak met daarin een transistor 38, een weerstand 40 en een transistor 44. Samen met stroombron 46 vormen transistoren 42 en 44 door kompensatiespanning Vcomp onderling komplementair regelbare stroombronnen. Transistoren 34 en 38 worden met hun stuurelektrodes aangesloten op knooppunten 23 en 25 in figuur 1.

In het omslagpunt van deze verschilversterker zijn de stuurspanningen van transistoren 30 en 32 gelijk. Bij onderling ongelijke stromen in de stroomtakken, ingesteld met kompensatiespanning Vcompf is dan ook de spanningsval over de, in dit voorbeeld als identiek gekozen weerstanden 36 en 40, verschillend. Onder de aanname dat de geleidende transistoren 34 en 38 hierbij een stuurspanning van ongeveer 0,7 Volt hebben, volgt dan dat de ingangsspanningen voor transistoren 34 en 38 onderling verschillen. Het omslagpunt treedt dus op bij een kapaciteitsspanning ongelijk aan nul. Het ompolen van de kompensatiespanning Vcomp zal verderop worden beschreven.

De in figuur 4 getoonde regelbare verschilversterker omvat een eerste stroomtak met een serieschakeling van een last 50, een transistor 52 en een transistor 54, alsmede een tweede stroomtak met een serieschakeling van een last 56, een transistor 58 en een transistor 60. De stroomtakken worden gevoed door een stroombron 62. De stroomtakken zijn met elkaar verbonden via een weerstand 64 ter plaatse van knooppunten tussen de transistoren in elk van de takken. De stuurelektroden van transistoren 52 en 58 worden over de kapaciteit 22 aangesloten op de knooppunten 23 en 25. De stuurelektrode van minstens transistor 54 of transistor 60 is een regelingang voor het kompensatiesignaal. De uitgangen van de verschilversterker worden gevormd door een knooppunt in elke tak tussen de last 50, respektievelijk last 56 en transistor 52, respektievelijk transistor 58.

In het omslagpunt van deze verschilversterker zijn de stromen door de lasten 50 en 56 gelijk, onder voorwaarde dat die lasten identiek zijn. Dit impliceert dat de basis-emitterspanningen van transistoren 52 en 58 dan gelijk zijn. Het verschil in emitterspanning van transistoren 52 en 58 hangt samen met een kompensatiestroom door weerstand 64. De kompensatiestroom is zowel gelijk aan het stroomverschil tussen de door transistor 52 en transistor 54 geleide stromen, als aan het stroomverschil tussen de door transistor 58 en transistor 60 geleide stromen. Dit verschil is instelbaar met een spanning tussen de stuurelektrode van transistoren 54 en 60. Zijn de emitterspanningen van transistoren 52 en 58 dus ongelijk bij gelijke stromen door de lasten 50 en 56, dan moeten ook de stuurspanningen van transistoren 52 en 58 verschillend zijn in het omslagpunt. Het ompolen van de kompensatiespanning VC0Bp zal verderop worden beschreven.

De in figuur 5 weergegeven regelbare verschilversterker omvat een eerste transistorpaar 70 en 72 in verschilversterker-konfiguratie, en een tweede transistorpaar met transistoren 74 en 76 in verschilversterkerkonfiguratie. Beide verschilversterkerkonfiguraties zijn aangesloten op dezelfde lasten 78 en 80, en worden komplementair gevoed met behulp van een derde verschilversterker-transistorpaar 82 en 84. Dit laatste transistorpaar wordt gevoed met stroombron 86. De eerste en tweede transistorparen zijn asymmetrisch uitgevoerd. In dit voorbeeld zijn transistoren 72 en 76 tweemaal zo groot als transistoren 70 en 74. De transistoren 70 en 76 worden met hun stuurelektroden aangesloten op knooppunt 23 van kapaciteit 22, de transistoren 72 en 74 worden met hun stuurelektroden aangesloten op knooppunt 25 van kapaciteit 22. Het transistorpaar 82/84 wordt geregeld met een kompensatiespanning Vc£)mp, waarmee de stromen worden ingesteld, die het eerste en tweede transistorpaar voeden. De knooppunten tussen de weerstanden 78 en 80 enerzijds en de transistorparen anderzijds vormen de uitgang van de verschilversterker. In het omklappunt van deze verschilversterker is het verschil tussen de stromen in het eerste transistorpaar 70 en 72 gelijk aan het verschil tussen de stromen in het tweede transistorpaar 76 en 74, Dit verschil is voor beide transistorparen uit te drukken in eenzelfde funktie F met als argumenten de kapaciteitsspanning, de totale stroom door het betreffende transistorpaar en de verhouding van de groottes van de betreffende transistoren. Omdat beide asymmetrische transistorparen zelf onderling tegengesteld worden gestuurd, bestaat er een niet-triviale oplossing voor de kapaciteitsspanning, waarbij onder gegeven stromen door transistoren 82 en 84, de uitgangsspanning V2 gelijk is aan nul.

In figuur 6 is een voorbeeld van een multivibratorschakeling weergegeven met een regellus en met schakelmiddelen voor het periodiek ompolen van de kompensatiespanning Vcofflp. De verwijzingscijfers 10 tot en met 22 korresponderen met die van de multivibrator in figuur 1, de verwijzingscijfers 50 tot en met 62 korresponderen met die van de versterker in figuur 4. Toegevoegd is een ompoolcircuit 90 dat synchroon met het signaal V., de invloed van het transistorpaar 54/60 ompoolt. In dit voorbeeld omvat het ompoolcircuit 90 twee onderling parallel geplaatste transistorverschilparen 90 a/b en 90 c/d, die onderling tegengesteld worden gestuurd door het signaal V^. Omwille van versterking en niveauverschuiving zijn buffers 94 en 96 geplaatst tussen de multivibrator met onderdelen 10 tot en met 20 en het ompoolcircuit 90. Het blokgolfsignaal wordt toegevoerd aan een fasedetektor 92, het uitgangssignaal V2 van de versterker met onderdelen 50 tot en met 62 wordt eveneens aan de fasedetektor 92 toegevoerd. De fasedetektor omvat bijvoorbeeld een vermenigvuldiger, zoals bekend is uit bijvoorbeeld: "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits", Sec. Ed., P. Gray and R. Meyer, 1984, pagina 603. De fasedetektor detekteert het faseverschil en regelt de grootte van het kompensatiesignaal, toegevoerd aan transistor 60, zodanig, dat het faseverschil tussen de blokgolfsignalen en V2 op een voorafbepaalde waarde gehandhaafd blijft, bijvoorbeeld op negentig graden.

Opgemerkt zij dat in de beschreven figuren de schakelingen bij wijze van voorbeeld zijn weergegeven gerealiseerd met bipolaire transistoren. Vanzelfsprekend zijn equivalente schakelingen realiseerbaar met unipolaire transistoren.

Eveneens zij opgemerkt dat in de aangehaalde voorbeelden een multivibrator met een symmetrisch uitgangssignaal is beschreven. De uitvinding kan tevens worden gerealiseerd met een oscillator van het vermelde type, die een asymmetrisch uitgangssignaal levert. Hierbij zijn dan de absolute waarden van de helling van de opgaande en de neergaande flank ongelijk. Het ompolen van de kompensatiespanning dient dan gepaard te gaan met een gepaste verandering van de absolute waarde van de kompensatiespanning.

Claims (7)

1. Oscillator met een kapaciteit, oplaad- en ontlaadmiddelen voor het opladen, respektievelijk ontladen van de kapaciteit, terugkoppelniddelen voor het in afhankelijkheid van een oscillatorsignaal aktiveren van de oplaad- en ontlaadmiddelen, en met een versterker voor het versterken van een kapaciteitsspanning, gekenmerkt, doordat de versterker een regelingang heeft voor het instellen van een faseverschil tussen een nuldoorgang van een versterkeruitgangssignaal enerzijds en een referentiefase in het oscillatorsignaal anderzijds.

2. Oscillator volgens conclusie 1, gekenmerkt, doordat is voorzien in schakelmiddelen voor het onder besturing van het oscillatorsignaal ompolen van de regelingang.

3. Oscillator volgens conclusie 1 of 2, gekenmerkt, doordat voorzien is in een regellus met een faseverschildetektor voor het in afhankelijkheid van het oscillatorsignaal en het versterkeruitgangssignaal opwekken van een regelsignaal voor de regelingang.

4. Oscillator volgens conclusie 1 of 2, gekenmerkt, doordat de versterker twee parallelle stroomtakken omvat, elk met een serieschakeling van een stroomgeleidingspad van een transistor, een weerstand en een stroombron, waarbij de transistoren onderling tegengesteld stuurbaar zijn door de kapaciteitsspanning en minstens één van de stroombronnen regelbaar is via de regelingang, en waarbij ingangen van een verschilversterker gekoppeld zijn met respektievelijke knooppunten tussen de betreffende weerstand en de betreffende stroombron.

5. Oscillator volgens conclusie 1 of 2, gekenmerkt, doordat de versterker twee parallelle stroomtakken heeft met elk een serieschakeling van een weerstand, een stroomgeleidingspad van een transistor en een stroombron, waarbij de transistoren onderling tegengesteld stuurbaar zijn door de kapaciteitsspanning en minstens één van de stroombronnen regelbaar is via de regelingang, en waarbij knooppunten tussen de betreffende transistoren enerzijds en de stroombronnen anderzijds zijn gekoppeld via een verdere weerstand.

6. Oscillator volgens conclusie 1 of 2, gekenmerkt, doordat de versterker twee parallelle stroomtakken omvat, elk met een asymmetrisch verschilversterker-transistorpaar gevoed door een stroombron, welke transistorparen via gemeenschappelijke lasten op een voedingspunt zijn aangesloten, waarbij de transistorparen stuurbaar zijn met de kapaciteitsspanning en minstens één van de stroombronnen regelbaar is via de regelingang.

7. Oscillator volgens conclusie 4, 5 of 6, gekenmerkt, doordat is voorzien in schakelmiddelen voor het onder besturing van het oscillatorsignaal ompolen van de regelingang, waarbij de schakelmiddelen een eerste schakelaar in elk van de stroomtakken van de versterker omvatten voor het onderbreken van de betreffende stroomtak, alsmede kruiselingse koppelingen tussen de stroomtakken met in elk van de koppelingen een tweede schakelaar, waarbij de eerste schakelaars tegengesteld stuurbaar zijn aan de tweede schakelaars met het oscillatorsignaal.