NL8902562A - Gekoppelde-oscillatorschakeling. - Google Patents

Description

Gekoppelde-oscillatorschakeling.

De uitvinding heeft betrekking op een oscillatorschakeling van het regeneratieve type, omvattende een eerste oscillator tenminste bestaande uit een eerste teruggekoppelde versterker en een eerste integrator, waarin de eerste versterker een uitgangssignaal heeft met twee in een oscillatieperiode afwisselende stabiele niveau's en telkens daartussen een niet-stabiele of regeneratieve cmschakeltoestand, waarin de rondgaande versterking groter is dan één, en een van de integrator afkomstig ingangssignaal, dat tijdsafhankelijk in positieve resp. negatieve zin verloopt, waarbij aan de oscillator een afzonderlijk excitatiesignaal wordt toegevoegd teneinde het omschakelmoment vast te leggen.

Een dergelijke oscillatorschakeling is bekend uit het artikel "A nev model for regenerative circuits" van C.J.M. Verhoeven in 30th Midwest Symposium on Circuits and Systems, Syracuse, New York, augustus 1987.

De uit dit artikel bekende, enkelvoudige oscillator van het regeneratieve type omvat in wezen een teruggekoppelde versterker en een integrator. Het uitgangssignaal van een dergelijke regeneratieve oscillator heeft in de oscillatieperiode daarvan twee uiterste stabiele niveau's en telkens daartussen een niet-stabiele omschakeltoestand gedurende korte tijd. In deze niet-stabiele omschakeltoestand is de rondgaande versterking groter dan één en fungeert de versterker met positieve terugkoppeling of meekoppeling. De versterkerconfiguratie is zodanig dat hierbij het uitgangssignaal in fase is met het ingangssignaal. In deze omschakeltoestand is sprake van regeneratieve werking en aan het einde daarvan is tenminste één der elementen van de versterker in gesperde of verzadigde toestand. De lusversterking is hierbij kleiner dan één zodat de toestand stabiel kan blijven tot het eerstvolgende omschakelmoment. Dergelijke schakelingen zijn in de praktijk bekend onder verschillende namen, waar onder Schmitt-trigger en flip-flop de bekendste zijn. Kenmerkend voor deze schakelingen is dat zij een hysterese vertonen en dus een geheugenwerking hebben. Het uitgangssignaal bevindt zich steeds in één van de twee uiterste standen behalve gedurende de zeer korte omschakeltijd.

De integrator wordt in de regeneratieve oscillator gebruikt om vanuit een constant signaal nauwkeurig een tijdafhankelijk signaal op te wekken dat in positieve of negatieve zin verloopt. In het geval van een integreerbare regeneratieve oscillator is de integrator veelal een condensator die een door de genoemde versterker aangeboden, constante stroom integreert. De versterker heeft voor het van de integrator afkomstige ingangs- of excitatiesignaal twee drempelniveau's. Wanneer het ingangssignaal een bij het huidige niveau van het uitgangssignaal behorend drempelniveau overschrijdt zal het uitgangssignaal naar het andere stabiele signaalniveau omschakelen. De genoemde stroom zal van teken veranderen en de condensatorspanning zal in tegengestelde zin veranderen tot het andere drempelniveau wordt bereikt.

Het omschakelen van de stroom door de regeneratieve versterker, m.a.w. het moment waarop de integratorspanning het drempelniveau bereikt, zal een bepaalde onzekerheid vertonen omdat zowel drempelniveau als integratorspanning ruiscomponenten bevatten.

Bovendien zal de oscillator niet direct omslaan wanneer het drempelniveau wordt bereikt daar voor het omslaan een zekere tijd nodig is. De lengte van dit tijdinterval wordt weer sterk door ruis beïnvloed. Als gevolg van deze onzekerheden treedt fasejitter op hetgeen resulteert in ongewenste energiecomponenten in het spectrum van dè oscillator rond de gewenste frequentie. De relatief langzaam veranderende integrator- of condensatorspanning speelt hierbij een ongunstige rol daar door deze langzame verandering de excitatie van de regeneratieve oscillator minimaal blijkt te zijn.

In het genoemde artikel wordt ter vermindering van deze fasejitter voorgesteld de excitatie te verhogen bijvoorbeeld door het injecteren van een extra excitatiesignaal in de regeneratieve oscillator. Een dergelijke excitatieverhoging zal het ruisgedrag van de oscillator verbeteren wanneer het geïnjecteerde signaal altijd op het juiste moment, d.w.z. met zo weinig mogelijk onzekerheid in de tijd, en snel op volle sterkte wordt opgewekt.

De uitvinding beoogt hieraan tegemoet te komen en een oscillator-schakeling van het regeneratieve type te verschaffen, waarmee op uiterst doeltreffende manier het afzonderlijke excitatiesignaal volgens de genoemde eisen wordt verkregen.

Dit wordt bij een oscillatorschakeling van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding aldus bereikt doordat een aan de eerste oscillator identieke tweede oscillator is aangebracht tenminste bestaande uit een tweede teruggekoppelde versterker en een tweede integrator met een oscillatieperiode, die gelijk is aan de genoemde oscillatieperiode of een veelvoud daarvan en die ten opzichte daarvan verschoven is, en dat een bij de eerste resp. tweede oscillator behorende eerste resp. tweede comparator is aangebracht die de tussen twee drempelniveau's gelegen nuldoorgang van het ingangssignaal van de bijbehorende eerste resp. tweede oscillator detecteert en daaruit het afzonderlijke excitatiesignaal voor de tweede resp. eerste oscillator afleidt.

Een verdere uitvoering volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat aanvullend een of meer aan de eerste en tweede oscillator identieke oscillatoren zijn aangebracht elk tenminste bestaande uit een teruggekoppelde versterker en een integrator met een oscillatieperiode die gelijk is aan de genoemde oscillatieperioden en die ten opzichte daarvan verschoven is, en dat bij de een of meer aanvullende oscillatoren behorende comparatoren zijn aangebracht die telkens de genoemde nuldoorgang van het ingangssignaal van de bijbehorende oscillator detecteren en het afzonderlijke excitatiesignaal voor de respectievelijk eerstvolgende oscillator afleiden.

Met behulp van de telkens bij een oscillator behorende comparator worden bepaalde nuldoorgangen, in het geval van een uitvoering met twee oscillatoren, de nuldoorgang precies midden tussen de twee drempelniveau1s van het ingangssignaal gedetecteerd. Hiermede wordt vanuit de relatief langzaam veranderende integratorspanning een snel ingangs- of excitatiesignaal opgewekt dat in de andere oscillator wordt geïnjecteerd. Een aanvullend voordeel van het detecteren van deze nuldoorgang bij de gekoppelde oscillator volgens de uitvinding is het feit dat de integratorspanning tijdens de detectie van deze nuldoorgang door de comparator normaal blijft doorgaan langzaam te veranderen. In de uit een enkelvoudige oscillator bestaande regeneratieve oscillatorschakeling heeft het bereiken van een drempelniveau door de ingangsspanning tot gevolg dat de integrator of condensatorspanning weer van het drempelniveau af beweegt daar de regeneratieve schakeling omslaat. Het resultaat is dat de detectie zichzelf als het ware tegenwerkt daar de condensatorspanning niet verder over het drempelniveau zal gaan dan juist nodig is om de regeneratieve omschakeltoestand te initiëren. Dit houdt in dat de enkelvoudige regeneratieve oscillator slechts op minimale wijze wordt geëxciteerd.

De uitvinding zal aan de hand van enkele uitvoeringsvoorbeelden nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin: fig. 1 een eenvoudig principeschema toont van een enkelvoudige oscillatorschakeling van het regeneratieve type uit de stand van de techniek; fig. 2 een grafiek toont van het door de integrator uit fig. 1 afgegeven ingangssignaal voor de versterker met bijbehorende drempelniveau's; fig. 3 het principeschema toont van de gekoppelde oscillatorschakeling volgens de uitvinding; fig. 4 een schema toont van een uitvoeringsvorm volgens de uitvinding; en fig. 5 een grafiek toont van de bij de oscillatorschakeling van fig. 4 behorende ingangs- en uitgangsspanningen.

De in fig. 1 aangegeven bekende oscillatorschakeling van het regeneratieve type omvat een teruggekoppelde versterker VI en een door een condensator Cl gevormde integrator. De in fig. 2 aangegeven ingangsspanning U van de integrator, die de ingangsspanning van de versterker vormt, zal langzaam toe- of afnemen afhankelijk van de richting van de stroom I. Wanneer de condensatorspanning U de bij de huidige stroomrichting behorende drempelspanning of bereikt zal het teken van de stroom veranderen. De condensatorspanning zal weer in de andere richting veranderen tot het tweede drempelniveau 11^2 of bereikt, etc. Bij deze bekende schakeling treedt een aanzienlijke fasejitter op als gevolg van de eerder vermelde oorzaken.

Bij de in fig. 3 aangegeven schakeling volgens de uitvinding is een aan de eerste (VI) identieke tweede oscillator V2 aangebracht die dezelfde oscillatieperiode of een veelvoud daarvan heeft. De bij elke oscillator VI, V2 behorende comparator Col, Co2 detecteert de in het midden tussen de twee drempelniveau's gelegen nuldoorgang van de relatief langzaam veranderende integratorspanning en leidt hieruit een snel excitatiesignaal voor de andere oscillator V2, VI af. Daar dit in elke oscillator geïnjecteerde extra excitatiesignaal wordt afgeleid van de andere oscillator op het juiste moment, met zo weinig mogelijk onzekerheid en op maximale amplitude, wordt het ruisgedrag van de oscillator aanmerkelijk verbeterd. Deze verbetering kan voor elke afzonderlijke oscillator meer dan 6dB bedragen die maximaal bereikt kan worden door het koppelen van twee harmonische oscillatoren. Tevens ontstaat het voordeel, zoals reeds vermeld, dat de condensatorspanning na het omslaan met zijn tijdafhankelijk verloop doorloopt.

Een verder voordeel volgens de uitvinding bij deze gekoppelde oscillator is het volgende. Bij de enkelvoudige regeneratieve oscillator ontstaat de niet-stabiele of regeneratieve omschakeltoestand doordat een drempelniveau door het ingangssignaal wordt gedetecteerd.

Bij een emittergekoppelde oscillator bijvoorbeeld betekent dit dat één van beide transistoren uit het verschilpaar vrijwel alle stroom en de ander vrijwel geen stroom voert. In de uitdrukking voor de maximale lusversterking, en dus voor de drempelspanningen, komt zeer vaak zonder speciale maatregelen de temperatuur voor. Het gevolg hiervan is dat de frequentie van de enkelvoudige oscillator door de temperatuur wordt beïnvloed. In de wederzijds gekoppelde oscillator volgens de uitvinding wordt de invloed van het regeneratieve gedeelte op het temperatuurgedrag geëlimineerd daar nu de comparatoren de omschakeling of omslag bepalen. Hierdoor is de drift van de gekoppelde oscillator minder dan die bij een enkelvoudige regeneratieve oscillator.

Bij vele toepassingen is de lineariteit van een oscillator, wanneer deze als spanningsgestuurde (VCO) of stroomgestuurde (CCO) oscillator wordt gebruikt, van belang. Bij de enkelvoudige regeneratieve oscillator veroorzaakt de regeneratieve keten veelal niet-lineariteit doordat het sturende signaal ook de ligging van de drempelniveau1s beïnvloedt. In de gekoppelde oscillator bepalen de comparatoren het moment van omslag zodat deze vorm van niet-lineariteit wordt uitgeschakeld. Bovendien ontstaat er door de gekoppelde uitvoering een tweede modulatiemogelijkheid: de injectiestroom kan worden gevarieerd. In dat geval bestaat er een lineaire relatie tussen de periodetijd en het sturende signaal. De lineariteit van de gekoppelde oscillator is derhalve beter dan die van een enkelvoudige oscillator. Oscillatoren die gebruik maken van een resonator, zoals een kristal of LC-netwerk, worden afgestemd door een parameter van de resonator te beïnvloeden. De relatie tussen deze parameter en de opgewekte frequentie is meestal fundamenteel niet-lineair. Bovendien kan de frequentie niet instantaan worden veranderd omdat de verandering van de parameter van de resonator ook betekent dat de in de in resonator opgeslagen energie verandert. Deze energie-inhoud kan niet instantaan veranderen. In regeneratieve oscillatoren kan de frequentie worden veranderd door bijvoorbeeld een stroom te veranderen hetgeen wel instantaan wijzigen van de frequentie mogelijk maakt.

De in fig. 4 aangegeven uitvoeringsvorm bevat twee emittergekoppelde oscillatoren VI; V2 die elk bestaan uit een regeneratieve keten gevormd door het verschiltransistorpaar Qaj,

Qbl> Qa2> Qb2 en door de condensator Cl; C2 gevormde integrator. De stroombronnen Ia en 1^ dienen voor de instelling van de oscillator. Afhankelijk van de toestand van de regeneratieve keten zal Ia of I]j door de condensator lopen. Verder is bij elke «Γ oscillator VI; V2 een comparator Qci5 Qdl> Qc2> Qd2 aangebracht. De nuldoorgang van de integratorspanning wordt telkens door elke comparator gedetecteerd. De instelstroom Ic zal afhankelijk van het spanningsverschil tussen de basissen van Qc en Q<j door Qc of Qd lopen. Als gevolg hiervan ontstaat er over één van de twee belastingsweerstanden Ra of 1¾ een extra spanning. Dit resulteert in een verschuiving van de drempelspanning van de betreffende regeneratieve keten. Deze verschuiving is lineair afhankelijk van de biasstroom Ic van de injecterende comparator. Omdat de gegenereerde periodetijd weer lineair afhankelijk is van het verschil tussen de beide drempelniveau's kunnen de stromen Ic worden gebruikt om de schakeling als een zeer lineaire stroomgestuurde oscillator toe te passen.

Daar de gekoppelde oscillatorschakeling met twee oscillatoren volkomen symmetrisch is zullen de nuldoorgangen van de condensator-spanningen van de beide oscillatoren precies 90° ten opzichte van elkaar zijn verschoven. Dat wil zeggen, dat er twee identieke uitgangssignalen zijn - van elke oscillator één - die onderling nauwkeurig 90° in fase verschillen, zoals in fig. 5 is aangegeven. Deze faserelatie wordt door de gekoppelde oscillator zeer strak gehandhaafd. Wanneer de eigen frequenties van de beide oscillatoren niet gelijk zijn, bijvoorbeeld omdat de condensatoren een verschillende waarde hebben, dan zal in de gekoppelde oscillatorschakeling toch één frequentie worden gegenereerd die het gemiddelde is van de beide eigen frequenties. De faserelatie blijft dan toch 90°. Bij zeer grote frequentieverschillen zullen de oscillatoren frequenties produceren die een even veelvoud van elkaar zijn; bijv. fq:f2 = 1:4. Er kunnen echter ook meer dan twee oscillatoren worden aangebracht waardoor andere faserelaties mogelijk zijn terwijl de genoemde gunstige eigenschappen bewaard blijven.

De beschikbaarheid van nauwkeurig in fase verschoven uitgangssignalen is namelijk bij vele toepassingen van groot belang. Vaak worden deze onderlinge verhoudingen gerealiseerd in oscillatoren die op een hogere frequentie werken, waarna door middel van frequentiedelers signalen worden gemaakt met de gewenste fase en frequentie. Het grote nadeel dat de oscillator op een hogere frequentie moet werken, dan aan de uitgang eigenlijk nodig is, heeft de gekoppelde oscillator niet. Dit wil zeggen, dat de gekoppelde oscillator slechts hoeft te werken op de helft van de frequentie, waarop de oscillator, die de delers aanstuurt, zou moeten werken. Bij een gegeven technologie kan het opwekken met behulp van een regeneratieve oscillator van de dubbele frequentie problemen met zich mee brengen terwijl het opwekken van de frequentie zelf nog wel mogelijk is. De toepassing van de gekoppelde oscillator is dan een bruikbare oplossing.

Een groot voordeel van de regeneratieve oscillatorschakeling volgens de uitvinding is verder dat alle componenten integreerbaar zijn. Dit is in tegenstelling tot de meeste harmonische oscillatoren die een resonator bevatten zoals een kristal of een LC-netwerk. Een dergelijke resonator is vrijwel nooit volledig integreerbaar. Bij een LC-resonator kan meestal de spoel niet worden geïntegreerd. De "simulatie" van een dergelijke spoel met behulp van een gyrator en een condensator brengt echter het probleem met zich mee dat de gyrator-condensator combinatie ruis teweeg brengt terwijl een "echte" spoel dat niet doet. Regeneratieve oscillatoren zijn volledig integreerbaar.

De beschreven gekoppelde oscillator kan met voordeel worden gebruikt in enkele toepassingen, bijvoorbeeld als locale oscillator in een volledig geïntegreerde radio-ontvanger. De beschikbaarheid van kwadratuursignalen maakt dan allerlei detectiemethoden mogelijk. De gekoppelde oscillator kan als lineaire FM-modulator worden toegepast, bijvoorbeeld als lineaire omzetter van een basisband videosignaal naar een FM-gemoduleerd signaal voor transmissie van videobeelden via een glasvezel. Ook kan de gekoppelde oscillator als spanningsgestuurde oscillator in een fasevergrendelde lus (PLL) worden gebruikt waarbij de beschikbaarheid van kwadratuursignalen een groot voordeel is.

Resumerend zijn kort de volgende eigenschappen c.q. voordelen van belang: de gekoppelde oscillator produceert minder faseruis, heeft een · betere lineariteit en minder drift dan bij de enkelvoudige regeneratieve oscillator. Verder zijn er bij de gekoppelde oscillator "van nature" kwadratuursignalen beschikbaar, waardoor delers enz. niet nodig zijn, en is de gekoppelde oscillator volledig integreerbaar. De schakeling hoeft niet perse roet bipolaire componenten te worden gemaakt, maar kan ook in een andere IC-technologie, bijvoorbeeld een MOS-proces, worden geïmplementeerd.

Claims (3)

1. Oscillatorschakeling van het regeneratieve type, omvattende een eerste oscillator tenminste bestaande uit een eerste teruggekoppelde versterker en een eerste integrator, waarin de eerste oscillator een uitgangssignaal heeft met twee in een oscillatieperiode afwisselende stabiele niveau's en telkens daartussen een niet-stabiele of regeneratieve omschakeltoestand, waarin de rondgaande versterking groter is dan één, en een van de integrator afkomstig ingangssignaal, dat tijdafhankelijk in positieve resp. negatieve zin verloopt, waarbij aan de oscillator een afzonderlijk excitatiesignaal wordt toegevoegd teneinde het omschakelmoment vast te leggen, met het kenmerk, dat een aan de eerste oscillator identieke tweede oscillator is aangebracht tenminste bestaande uit een tweede teruggekoppelde versterker en een tweede integrator met een oscillatieperiode, die gelijk is aan de genoemde oscillatieperiode of een veelvoud daarvan en die ten opzichte daarvan verschoven is, en dat een bij de eerste resp. tweede oscillator behorende eerste resp. tweede comparator is aangebracht die de tussen twee drempelniveau's gelegen nuldoorgang van het ingangssignaal van de bijbehorende eerste resp. tweede oscillator detecteert en daaruit het afzonderlijke excitatiesignaal voor de tweede resp. eerste oscillator afleidt.

2. Oscillatorschakeling van het regeneratieve type volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat aanvullend een of meer aan de eerste en tweede oscillator identieke oscillatoren zijn aangebracht elk tenminste bestaande uit een terüggekoppelde versterker en een integrator met een oscillatieperiode die gelijk is aan de genoemde oscillatieperioden en die ten opzichte daarvan verschoven is, en dat bij de een of meer aanvullende oscillatoren behorende comparatoren zijn aangebracht die telkens de genoemde nuldoorgang van het ingangssignaal van de bijbehorende oscillator detecteren en daaruit het afzonderlijke excitatiesignaal voor de respectievelijk eerstvolgende oscillator afleiden.

3. Oscillatorschakeling van het regeneratieve type volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat in de oscillatoren de versterker uit een verschilpaar van emittergekoppelde transistoren bestaat, de integrator door een condensator wordt gevormd, en de comparator uit een verschilpaar van emittergekoppelde transistoren bestaat.