NL9500575A - Circuit for modulation of a crystal oscillator with voltage controlled (pin) diode. - Google Patents

Circuit for modulation of a crystal oscillator with voltage controlled (pin) diode. Download PDF

Info

Publication number
NL9500575A
NL9500575A NL9500575A NL9500575A NL9500575A NL 9500575 A NL9500575 A NL 9500575A NL 9500575 A NL9500575 A NL 9500575A NL 9500575 A NL9500575 A NL 9500575A NL 9500575 A NL9500575 A NL 9500575A
Authority
NL
Netherlands
Prior art keywords
frequency
diode
crystal
oscillator
circuit
Prior art date
Application number
NL9500575A
Other languages
Dutch (nl)
Inventor
Mannus Bernardus Jansen
Original Assignee
Inst Milieu & Agritech
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Inst Milieu & Agritech filed Critical Inst Milieu & Agritech
Priority to NL9500575A priority Critical patent/NL9500575A/en
Priority to PCT/NL1996/000120 priority patent/WO1996030996A1/en
Priority to AU49575/96A priority patent/AU4957596A/en
Publication of NL9500575A publication Critical patent/NL9500575A/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03CMODULATION
    • H03C3/00Angle modulation
    • H03C3/10Angle modulation by means of variable impedance
    • H03C3/12Angle modulation by means of variable impedance by means of a variable reactive element
    • H03C3/22Angle modulation by means of variable impedance by means of a variable reactive element the element being a semiconductor diode, e.g. varicap diode
    • H03C3/225Angle modulation by means of variable impedance by means of a variable reactive element the element being a semiconductor diode, e.g. varicap diode using field effect transistors
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B19/00Generation of oscillations by non-regenerative frequency multiplication or division of a signal from a separate source
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B2200/00Indexing scheme relating to details of oscillators covered by H03B
    • H03B2200/0002Types of oscillators
    • H03B2200/0008Colpitts oscillator
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B2200/00Indexing scheme relating to details of oscillators covered by H03B
    • H03B2200/003Circuit elements of oscillators
    • H03B2200/0056Circuit elements of oscillators including a diode used for switching
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B2200/00Indexing scheme relating to details of oscillators covered by H03B
    • H03B2200/006Functional aspects of oscillators
    • H03B2200/0064Pulse width, duty cycle or on/off ratio
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B2200/00Indexing scheme relating to details of oscillators covered by H03B
    • H03B2200/006Functional aspects of oscillators
    • H03B2200/007Generation of oscillations based on harmonic frequencies, e.g. overtone oscillators
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B2200/00Indexing scheme relating to details of oscillators covered by H03B
    • H03B2200/006Functional aspects of oscillators
    • H03B2200/0086Functional aspects of oscillators relating to the Q factor or damping of the resonant circuit
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/30Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator
    • H03B5/32Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator
    • H03B5/36Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator active element in amplifier being semiconductor device
    • H03B5/364Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator active element in amplifier being semiconductor device the amplifier comprising field effect transistors
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/30Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator
    • H03B5/32Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator
    • H03B5/36Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator active element in amplifier being semiconductor device
    • H03B5/366Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator active element in amplifier being semiconductor device and comprising means for varying the frequency by a variable voltage or current
    • H03B5/368Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator active element in amplifier being semiconductor device and comprising means for varying the frequency by a variable voltage or current the means being voltage variable capacitance diodes

Landscapes

  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)

Description

Schakeling voor modulatie van een kristaloscillator met spanningsge-stuurde (pin-)diodeCircuit for modulation of a crystal oscillator with voltage controlled (pin) diode

De uitvinding heeft betrekking op een schakeling voor het moduleren van een kristaloscillator ingericht voor het opwekken van een grondfre-quentie of een overtoon-frequentie, omvattend een kristal-element in serie met een serieschakeling van een zelfinductie en een spanningsge-stuurd capacitief element, waarbij op het verbindingspunt van het capa-citieve element en de zelfinductie een modulatiespanning kan worden aangesloten.The invention relates to a circuit for modulating a crystal oscillator arranged to generate a fundamental frequency or a overtone frequency, comprising a crystal element in series with a series circuit of a self-inductance and a voltage-controlled capacitive element, wherein a modulation voltage can be connected to the junction of the capacitive element and the inductance.

Een dergelijke kristaloscillator is welbekend en wordt op grote schaal toegepast in draadloze telecommunicatie-toepassingen, waar deze oscillator frequentie-gemoduleerd (FM: frequentie-modulatie, of FSK: frequency shift keying, codering voor frequentie-verschuiving) moet zijn.Such a crystal oscillator is well known and is widely used in wireless telecommunication applications, where this oscillator must be frequency modulated (FM: frequency modulation, or FSK: frequency shift keying, frequency shift encoding).

Speciaal bij draagbare en niet op het lichtnet aangesloten toestellen, waarbij kleine fysieke afmetingen en gering energiegebruik van groot belang zijn, is geen eenvoudige werkwijze en geen eenvoudige inrichting beschikbaar om voldoende lineaire FM-modulatie bij overtoon-kristaloscillatoren tot stand te brengen. Omdat een kwarts-kristal een elektro-mechanische trileenheid is met een zeer hoge kwaliteitsfactor, is het moeilijk om de resonantiefrequentie daarvan met meer dan enkele honderden delen per miljoen te wijzigen. In het frequentiegebied van enkele honderden kHz tot ongeveer 30 MHz is het mogelijk om kristallen te construeren die op hun grondfrequentie functioneren. Deze eenheden kunnen vrij eenvoudig uit hun grondfrequentie worden "getrokken" met een hoeveelheid van 670 ppm (ppm = parts per million = delen per miljoen) door middel van een serie-impedantie, die ofwel capacitief of inductief kan worden gemaakt door middel van een externe modulerende spanning (Varicap-diode). Wanneer een kristaloscillator echter bij hogere frequenties moet functioneren moeten zogenaamde overtoon-kristallen worden gebruikt. In dit geval resoneert het kristalelement niet op de grondfrequentie, maar op een oneven veelvoud daarvan. Dit kan worden vergeleken met een vioolsnaar die resoneert op een hogere harmonische. Een nadeel van deze overtoon-kristaloscillatoren is echter, dat zij met een veel geringere hoeveelheid uit hun frequentie kunnen worden "getrokken" dan de oscillatoren op de grondfrequentie. Voor een kristal dat oscilleert op de derde overtoon geldt bijvoorbeeld dat dit wegtrek-gebied ("pulling range") negen keer minder is dan voor een kristal dat op zijn grondfrequentie trilt. Voor een kristal dat op de vijfde overtoon trilt is het wegtrek-gebied reeds vijfentwintig maal geringer, enz.Especially with portable and non-mains connected devices, where small physical dimensions and low energy consumption are of great importance, no simple method and no simple device is available to achieve sufficient linear FM modulation with overtone crystal oscillators. Since a quartz crystal is an electro-mechanical vibration unit with a very high quality factor, it is difficult to change its resonant frequency by more than several hundred parts per million. In the frequency range from several hundred kHz to about 30 MHz, it is possible to construct crystals that function at their fundamental frequency. These units can be quite easily "pulled" from their fundamental frequency at 670 ppm (parts per million parts per million) by means of a series impedance, which can be made either capacitive or inductive by means of an external modulating voltage (Varicap diode). However, if a crystal oscillator is to operate at higher frequencies, so-called overtone crystals must be used. In this case, the crystal element does not resonate at the fundamental frequency, but at an odd multiple thereof. This can be compared to a violin string that resonates at a higher harmonic. However, a drawback of these overtone crystal oscillators is that they can be "pulled" out of their frequency by a much smaller amount than the oscillators at the fundamental frequency. For example, for a crystal that oscillates on the third overtone, this pull-out range is nine times less than for a crystal that vibrates at its fundamental frequency. For a crystal that vibrates on the fifth overtone, the pull-out area is already twenty-five times smaller, etc.

Zenders die bij VHF-telecooununicatietoepassingen worden gebruikt moeten een frequentie-deviatie van ongeveer 4 kHz vertonen tijdens modulatie. Tot op heden werd dit bereikt door gebruik te maken van een oscillator frequentie beneden 30 MHz en waarbij de oscillator een trilfre-quentie heeft die gelijk is aan de zendfrequentie gedeeld door een geheel getal. Een zender van 150 MHz maakt bijvoorbeeld gebruik van een oscillator van 150 MHz/9 = 16,667 MHz. De frequentie-variatie van de oscillator wordt met dezelfde factor vermenigvuldigd als de frequentie. Hoewel dit principe op zichzelf goed werkt, zijn diverse elektronische frequentie-vermenigvuldigingstrappen noodzakelijk, die relatief veel ruimte innemen en elektrische energie dissiperen.Transmitters used in VHF telecommunication applications should exhibit a frequency deviation of approximately 4 kHz during modulation. Heretofore, this has been accomplished using an oscillator frequency below 30 MHz and the oscillator having a vibration frequency equal to the transmit frequency divided by an integer. For example, a 150 MHz transmitter uses a 150 MHz / 9 oscillator = 16.667 MHz. The frequency variation of the oscillator is multiplied by the same factor as the frequency. Although this principle works well on its own, various electronic frequency multiplication stages are required, which occupy a relatively large amount of space and dissipate electrical energy.

In moderne telecommunicatie-uitrusting wordt een frequentie-synthe-sizer gebruikt, die in frequentie kan worden gemoduleerd met frequenties die hoger moeten zijn dan 50 tot 100 Hz. Beneden deze frequenties is de regellus van de synthesizer actief om de oscillator te stabiliseren. Daarom zijn deze synthesizers alleen bruikbaar in een beperkt aantal toepassingen. Bovendien is het aantal elektronische componenten en de vermogensdissipatie groter dan van een eenvoudige kristal-bestuurde VHF-oscillator.In modern telecommunications equipment, a frequency synthesizer is used, which can be frequency modulated with frequencies that must be higher than 50 to 100 Hz. Below these frequencies, the synthesizer's control loop is active to stabilize the oscillator. Therefore, these synthesizers can only be used in a limited number of applications. In addition, the number of electronic components and the power dissipation is greater than that of a simple crystal-controlled VHF oscillator.

Daar waar een beperkte ruimte aanwezig is en de energiedissipatie zo gering mogelijk moet zijn is het meest eenvoudige zendcircuit met een oscillator die functioneert bij de zendfrequentie of eventueel de helft van de zendfrequentie, van het grootste belang voor de ontwerper. Een zender van 150 MHz die gebruik maakt van een kristal-oscillator van 75 MHz geeft de mogelijkheid om een kristal met derde overtoon te gebruiken. Het probleem, dat door de onderhavige uitvinding wordt opgelost, is het ontwerpen van een oscillator waarmee voldoende frequentie-variatie in de oscillatorschakeling kan worden verkregen als functie van het modulatie-signaal.Where there is limited space and the energy dissipation should be as small as possible, the simplest transmission circuit with an oscillator operating at the transmission frequency or possibly half the transmission frequency is of utmost importance to the designer. A 150 MHz transmitter using a 75 MHz crystal oscillator allows the use of a crystal with third overtone. The problem, which is solved by the present invention, is to design an oscillator with which sufficient frequency variation in the oscillator circuit can be obtained as a function of the modulation signal.

De doelstelling van de onderhavige uitvinding wordt met een kris-taloscillator van de bij de aanvang beschreven soort bereikt, welke het kenmerk heeft, dat het capacitieve element een capaciteit en een parallel daaraan geschakelde diode omvat, waarbij in serie met de diode een vooraf bepaalde referentiespanning kan worden geschakeld. "De diode is bij voorkeur een pin-diode. Door een dergelijke pin-diode te voorzien van een modulatie-spanning van bijvoorbeeld 5 V piek-piek of minder kan eenvoudig een frequentiedeviatie (verschil tussen hoogste en laagste frequentie) van 4 kHz worden bereikt. Dus bij een 75 MHz kristal en een zenderfrequentie van ongeveer 150 MHz bedraagt de deviatie 8 kHz.The object of the present invention is achieved with a crystal oscillator of the type described at the outset, characterized in that the capacitive element comprises a capacitance and a diode connected in parallel thereto, wherein a predetermined reference voltage is arranged in series with the diode can be switched. "The diode is preferably a pin diode. By providing such a pin diode with a modulation voltage of, for example, 5 V peak-peak or less, a frequency deviation (difference between highest and lowest frequency) of 4 kHz can easily be achieved So with a 75 MHz crystal and a transmitter frequency of about 150 MHz, the deviation is 8 kHz.

Bij voorkeur bestaat de overtoon-kristaloscillator uit een Col-pitts-oscillator.Preferably, the overtone crystal oscillator consists of a Col Pitts oscillator.

Voor frequenties boven 30 MHz wordt on mechanische redenen een overtoon-kristal gebruikt. Voor een frequentie van 75 MHz kan een derde overtoon-kristal worden gekozen. In de schakeling net een pin-diode is dan een frequentiedeviatie van 4 kHz realiseerbaar. Derhalve zijn minder vermenigvuldigingstrappen noodzakelijk, waardoor de noodzakelijke ruimte geringer is en de energiedissipatie minder is dan in de stand van de techniek.For frequencies above 30 MHz, an overtone crystal is used for mechanical reasons. A third overtone crystal can be selected for a frequency of 75 MHz. A frequency deviation of 4 kHz can then be realized in the circuit with a pin diode. Therefore, fewer multiplication steps are necessary, so that the space required is smaller and the energy dissipation is less than in the prior art.

De uitvinding zal hieronder nader worden beschreven onder verwijzing naar de bijgevoegde figuren, die slechts zijn bedoeld ter illustratie en niet ter beperking van de uitvinding.The invention will be described in more detail below with reference to the accompanying figures, which are intended to be illustrative only and not to limit the invention.

Figuur 1 beschrijft een bekende oscillator, die FM-gemoduleerd kan worden met behulp van een Varicap-diode; figuur 2 toont een soortgelijke inrichting als figuur 1, waarin echter de functie van de Varicap-diode is vervangen door een pin-diode; figuur 3 toont de modulatiecurve van een zender van 150 MHz gebaseerd op een kristaloscillator van 75 MHz ontworpen volgens figuur 2.Figure 1 describes a known oscillator, which can be FM modulated using a Varicap diode; Figure 2 shows a similar device to Figure 1, however, in which the function of the Varicap diode has been replaced by a pin diode; Figure 3 shows the modulation curve of a 150 MHz transmitter based on a 75 MHz crystal oscillator designed according to Figure 2.

In figuur 1 is een Colpitts-oscillator 1 getoond, waarvan de uit-gangsfrequentie FM-gemoduleerd kan worden met behulp van een modulatie-spanning Vm, aangeboden over een Varicap-diode D1. Een dergelijke schakeling is op zichzelf bekend en omvat bijvoorbeeld een kristal-element X, dat in serie met een eerste zelfinductie L1 en de genoemde Varicap-diode D1 met aarde is verbonden. De andere zijde van het kristal-element X is met aarde verbonden via een serieschakeling van een eerste capaciteit C1 en een tweede capaciteit C2. Parallel aan de tweede capaciteit C2 is een tweede zelfinductie L2 geschakeld. Het verbindingspunt van de eerste capaciteit C1 en het kristalelement X is verbonden met een eerste gate G1 van een MOS-transistor 2. Een tweede gate G2 is aanwezig voor verbinding met een vooraf bepaalde spanning. De MOS-transistor 2 heeft voorts een drain D en een source S. De source is via een parallelschakeling van een eerste weerstand R1 en een derde capaciteit C3 verbonden met het verbindingspunt van de eerste capaciteit C1 en de tweede capaciteit C2. Tijdens bedrijf kan een uitgangssignaal worden afgenomen van de drain D van MOS-transistor 2.Figure 1 shows a Colpitts oscillator 1, the output frequency of which can be FM modulated using a modulation voltage Vm applied across a Varicap diode D1. Such a circuit is known per se and comprises, for example, a crystal element X, which is connected in series with a first inductance L1 and the said Varicap diode D1 to earth. The other side of the crystal element X is connected to ground via a series connection of a first capacitance C1 and a second capacitance C2. A second self-inductance L2 is connected parallel to the second capacitance C2. The junction of the first capacitance C1 and the crystal element X is connected to a first gate G1 of a MOS transistor 2. A second gate G2 is provided for connection to a predetermined voltage. The MOS transistor 2 further has a drain D and a source S. The source is connected via a parallel connection of a first resistor R1 and a third capacitance C3 to the connection point of the first capacitance C1 and the second capacitance C2. During operation, an output signal can be taken from the drain D of MOS transistor 2.

De modulatiespanning Vm wordt via een tweede weerstand R2 aan de kathode van de Varicap-diode D1 aangeboden.The modulation voltage Vm is applied to the cathode of the Varicap diode D1 via a second resistor R2.

De werking van de schakeling van figuur 1 is bekend en behoeft hier geen uitgebreide toelichting. Het kristalelement X bepaalt grotendeels de resonantiefrequentie van de oscillator. De zelfinductie L1 heeft de neiging om de resonantiefrequentie te verlagen binnen zekere grenzen, een capaciteit in serie verhoogt juist de frequentie enigszins. Dankzij de variabele-capaciteits-diode D1 kan de totale impedantie van L1 en Di inductief of capacitief worden gemaakt, afhankelijk van de capaciteits-waarde van D1. Net diodes met een hyper-abrupte variabele capaciteits-waarde, dat wil zeggen een grote verhouding tussen de maximale en minimale capaciteitswaarde C|naj(/Cmin kan een frequentiedeviatie van ongeveer 1 kHz worden bereikt. Daarvoor moet de modulatiespanning echter in de ordegrootte van ongeveer 25 V zijn. Bovendien is de lineariteit van de modulator bijzonder gering. Daarom kan dit principe niet worden gebruikt wanneer een frequentiedeviatie van ongeveer 4 kHz ten aanzien van de zendfrequentie nodig is. In dit geval is, zoals gezegd, de oplossing nodig dat een lagere kristalfrequentie wordt gekozen en diverse verme-nigvuldigingstrappen worden aangesloten.The operation of the circuit of figure 1 is known and does not need extensive explanation here. The crystal element X largely determines the resonant frequency of the oscillator. The inductance L1 tends to lower the resonant frequency within certain limits, a capacitance in series increases the frequency slightly. Thanks to the variable capacitance diode D1, the total impedance of L1 and Di can be made inductive or capacitive depending on the capacitance value of D1. Just diodes with a hyper-abrupt variable capacitance value, i.e. a large ratio between the maximum and minimum capacitance value C | naj (/ Cmin, a frequency deviation of about 1 kHz can be achieved. However, for this the modulation voltage must be in the order of magnitude of about 25 V. In addition, the linearity of the modulator is very low, therefore this principle cannot be used when a frequency deviation of about 4 kHz with respect to the transmission frequency is needed, in this case, as mentioned, the solution is that a lower crystal frequency is selected and various multiplication stages are connected.

Figuur 2 toont een Colpitts-oscillator waarin dezelfde verwijzingstekens als in figuur 1 naar dezelfde elementen verwijzen. De Colpitts-oscillator van figuur 2 verschilt in zoverre van die van figuur 1, dat de Varicap-diode D1 is vervangen door een (instelbare) capaciteit, schematisch aangegeven met C3. Parallel aan de capaciteit C3 is een serie-schakeling van een pin-diode D2 en een referentie-spanningsbron Uref aangesloten, die dient voor het toevoeren van een instelspanning aan de pin-diode D2 tijdens bedrijf. Het toevoeren van een instel-spanning tijdens bedrijf kan echter ook op andere welbekende manieren plaatsvinden, bijvoorbeeld via de modulatie-ingang, gesuperponeerd op de modulatiespanning Vm.Figure 2 shows a Colpitts oscillator in which the same reference signs as in Figure 1 refer to the same elements. The Colpitts oscillator of Figure 2 differs from that of Figure 1 in that the Varicap diode D1 is replaced by an (adjustable) capacitance, indicated schematically by C3. A series circuit of a pin diode D2 and a reference voltage source Uref, which serves to supply a bias voltage to the pin diode D2 during operation, is connected in parallel with the capacitance C3. However, the supply of a bias voltage during operation can also take place in other well-known ways, for example via the modulation input superimposed on the modulation voltage Vm.

De schakeling van figuur 2 is gebaseerd op het volgende inzicht. Het blijkt dat met een modulatiespanning van bijvoorbeeld 5 v piek-piek eenvoudig een frequentiedeviatie van 4 kHz tot stand kan worden gebracht. De redenen daarvoor zijn tweevoudig. Wanneer bijvoorbeeld de spanning Uref wordt ingesteld op 2,5 V en de modulatie-spanning Vm toeneemt van 0 V tot 2,5 V, wordt de pin-diode D2 omgekeerd gepolariseerd en wordt een frequentieverschuiving veroorzaakt door een toegenomen belasting van de oscillatorschakeling ten gevolge van gelijkricht-effec-ten. De positieve halve periode van de oscillator-spanning, zoals aanwezig over de pin-diode D2, brengt deze pin-diode in geleiding gedurende een langere tijdsduur indien de modulatie-spanning Vm toeneemt. Wanneer de modulatie-spanning Vm toeneemt van 2,5 tot 5 V is de pin-diode D2 steeds sterker in de geleidende toestand. Het is bekend dat een pindiode met voorwaartse spanningsinstelling functioneert als een variabele ohmse weerstand voor HF-stromen. Normaal gesproken zou dit verschijnsel de oscillator echter doen stoppen ten gevolge van het afnemen van de Q-factor van de resonantieschakeling. Dit gebeurt in de voorgestelde schakeling echter niet vanwege een ander effect van de pin-diode D2: indien de pin-diode D2 een voorwaartse spanningsinstelling heeft verandert de capaciteitswaarde daarvan. Dit verschijnsel is op zichzelf bekend, maar is tot op heden, voorzover bekend, niet gebruikt om frequentiedeviaties in kristaloscillatoren tot stand te brengen. Door de toenemende voorwaartse instelspanning over de diode D2 wordt de pn-barrière steeds dunner, hetgeen resulteert in de genoemde toenemende capaciteitswaarde van de pn-barrière. Doordat deze verandering van de capaciteitswaarde in de ordegrootte van verscheidene nanofarads kan liggen, kan eenvoudig een frequentiedeviatie van 4 kHz worden bereikt, zelfs bij een overtoon-kristal met een frequentie van 75 HHz.The circuit of Figure 2 is based on the following insight. It has been found that with a modulation voltage of, for example, 5 v peak-peak, a frequency deviation of 4 kHz can easily be achieved. The reasons for this are twofold. For example, when the voltage Uref is set to 2.5 V and the modulation voltage Vm increases from 0 V to 2.5 V, the pin diode D2 is reverse polarized and a frequency shift is caused by an increased load on the oscillator circuit as a result of rectifying effects. The positive half period of the oscillator voltage, as present across the pin diode D2, conducts this pin diode for a longer period of time as the modulation voltage Vm increases. When the modulation voltage Vm increases from 2.5 to 5 V, the pin diode D2 becomes progressively stronger in the conductive state. It is known that a forward voltage bias pin diode functions as a variable ohmic resistor for HF currents. Normally, however, this phenomenon would stop the oscillator due to the decrease of the Q factor of the resonant circuit. However, this does not happen in the proposed circuit because of a different effect of the pin diode D2: if the pin diode D2 has a forward voltage setting, its capacitance value changes. This phenomenon is known per se, but has so far, as far as is known, not been used to effect frequency deviations in crystal oscillators. Due to the increasing forward bias voltage across diode D2, the pn barrier becomes thinner, resulting in the said increasing capacitance value of the pn barrier. Since this change in capacitance value can be in the order of magnitude of several nanofarads, a frequency deviation of 4 kHz can be easily achieved even with an overtone crystal with a frequency of 75 HHz.

Bij 75 MHz is de reactantie van de voorwaartse capaciteit van de pin-diode D2 veel geringer dan de HF-weerstand van de pin-diode D2, die in het elektrische vervangingsschema van de pin-diode D2 daaraan parallel staat. Daarom beïnvloedt de ohmse weerstand uit dat vervangingsschema de Q-factor van de resonantieschakeling slechts in zeer geringe mate.At 75 MHz, the reactance of the forward capacitance of the pin diode D2 is much lower than the HF resistance of the pin diode D2, which is parallel in the electrical replacement scheme of the pin diode D2. Therefore, the ohmic resistance from that replacement scheme influences the Q factor of the resonant circuit only very slightly.

Hoewel het beschreven effect in iedere diode optreedt, blijkt dit effect het sterkst op te treden bij pin-diodes. Bij toepassing van een gewone diode op de plaats van D2 in figuur 2 wordt echter ook reeds een beter resultaat wat betreft frequentiedeviatie verkregen dan met de klassieke schakeling volgens figuur 1, zodat de uitvinding ook op een dergelijke schakeling betrekking heeft.Although the described effect occurs in every diode, this effect appears to be strongest with pin diodes. When an ordinary diode is used instead of D2 in Figure 2, however, a better frequency deviation result is already obtained than with the conventional circuit according to Figure 1, so that the invention also relates to such a circuit.

De variabele capaciteitswaarde van de pin-diode D2 stemt nu de resonantieschakeling op soortgelijke wijze af als de Varicap-diode D1 in figuur 1 doet. De waarde van het capaciteitsgebied is alleen veel groter en, wat van groot belang is, de capaciteitswaarde van een pin-diode D2 kan worden gevarieerd met veel geringere spanningen. Bovendien blijkt dat faseruis geen ernstige storing veroorzaakt, wanneer de pin-diode D2 een voorwaartse instelspanning heeft. Nat de pin-diode D2 doet, is de invloed van C3 in de serieschakeling van L1 en C3 verminderen. Door de grote capaciteitsvariatie, die met een pin-diode mogelijk is (groter ook dan met andere diode-types), is de bereikbare vermindering veel groter dan met een Varicap op de plaats van C3 haalbaar is. Bij een lage spanning is C3 bepalend: de frequentie ligt boven de resonantiefrequentie van het kristal. Bij een toenemende spanning komt de groter wordende capaciteit van D2 aan C3 parallel te staan, waardoor de invloed van C3 afneemt en tenslotte L1 bepalend wordt: de frequentie ligt dan onder de resonantiefrequentie van het kristal. Door de keuze van Uref wordt een gunstig werkpunt ingesteld.The variable capacitance value of the pin diode D2 now tunes the resonant circuit in a similar manner as the Varicap diode D1 in Figure 1 does. The value of the capacitance range is only much larger and, very importantly, the capacitance value of a pin diode D2 can be varied with much lower voltages. In addition, it appears that phase noise does not cause serious interference when the pin diode D2 has a forward bias voltage. If the pin diode D2 does, the influence of C3 in the series connection of L1 and C3 is reduced. Due to the large capacitance variation, which is possible with a pin diode (larger also than with other diode types), the achievable reduction is much greater than is achievable with a Varicap instead of C3. At a low voltage, C3 is decisive: the frequency is above the resonant frequency of the crystal. With an increasing voltage, the increasing capacity of D2 becomes parallel to C3, so that the influence of C3 decreases and finally L1 becomes decisive: the frequency is then below the resonance frequency of the crystal. A favorable operating point is set by choosing Uref.

De oscillatorfrequentie en de aodulatie-curve blijken zeer stabiel te zijn binnen een groot temperatuurgebied. Figuur 3 toont de modulatie-curve van een zender van ongeveer 153 KHz, gebaseerd op een kristalos-ci11ator van ongeveer 75 MHz, welke wordt gemoduleerd met behulp van een modulatiespanning Vm over een pin-diode D2, zoals getoond in figuur 2. Figuur 3 toont dat met een modulatiespanning Vm van 5 V piek-piek een frequentieverschuiving van ongeveer 15 kHz kan worden gerealiseerd. Door de waarde van de weerstand R2 te verlagen, kan eveneens een goede werking worden verkregen met modulatie-spanningen Vm van 2 V piek-piek.The oscillator frequency and the aodulation curve appear to be very stable over a wide temperature range. Figure 3 shows the modulation curve of a transmitter of approximately 153 KHz, based on a crystal oscillator of approximately 75 MHz, which is modulated using a modulation voltage Vm over a pin diode D2, as shown in Figure 2. Figure 3 shows that with a modulation voltage Vm of 5 V peak-peak, a frequency shift of about 15 kHz can be realized. By decreasing the value of the resistor R2, a good operation can also be obtained with modulation voltages Vm of 2 V peak-peak.

Door gebruik te maken van een pin-diode D2 kunnen diverse vermenig-vuldigingstrappen, zoals gebruikt volgens de stand van de techniek, worden weggelaten, hetgeen de totale schakeling kleiner maakt en de vermo-gensdissipatie vermindert. Bovendien kan de FM-modulatie worden gerealiseerd met modulatiespanningen Vm van 5 V piek-piek of minder. Dit sluit aan bij actuele ontwikkelingen in de elektronica, waarbij steeds vaker voedingen van 3 V voor mobiele uitrusting worden toegepast.By using a pin diode D2, various multiplication stages, as used in the prior art, can be omitted, making the overall circuit smaller and reducing the power dissipation. In addition, the FM modulation can be realized with modulation voltages Vm of 5 V peak-peak or less. This is in line with current developments in electronics, where 3 V power supplies for mobile equipment are increasingly being used.

Binnen een frequentiegebied van 30 tot 100 MHz kan eenvoudig een frequentiedeviatie van ten minste 4 kHz bij kristaloscillatoren functionerend op de derde overtoon worden gerealiseerd. De afwijking van ideale lineariteit blijkt ten hoogste 2% te bedragen.Within a frequency range of 30 to 100 MHz, a frequency deviation of at least 4 kHz can easily be realized with crystal oscillators operating on the third overtone. The deviation from ideal linearity appears to be no more than 2%.

De uitvinding kan in het bijzonder worden toegepast voor zeer kleine telemetrie-zenders, gegevens-zenders en spraak-zenders, omdat juist daar vermogensdissipatie en afmetingen van groot belang zijn.The invention can be applied in particular for very small telemetry transmitters, data transmitters and voice transmitters, because precisely there power dissipation and dimensions are of great importance.

Hoewel het principe van de onderhavige uitvinding is toegelicht aan de hand van een Colpitts-oscillator (zie figuren 1 en 2) zal het voor de deskundige duidelijk zijn dat het principe ook kan worden toegepast bij elke andere kristaloscillator, waarin een capacitief element met span-ningsgestuurde variabele capaciteitswaarde wordt toegepast.Although the principle of the present invention has been explained with the aid of a Colpitts oscillator (see Figures 1 and 2), it will be clear to the skilled person that the principle can also be applied to any other crystal oscillator, in which a capacitive element with voltage ning-driven variable capacity value is applied.

Claims (6)

1. Schakeling voor het moduleren van een kristaloscillator (1) ingericht voor het opwekken van een grondfrequentie of een overtoon-fre-quentie, omvattend een kristal-element (X) in serie met een serieschake-ling van een zelfinductie (L1) en een spanningsgestuurd capacitief element (D2, C3), waarbij op het verbindingspunt van het capacitieve element (D2, C3) en de zelfinductie (L1) een modulatiespanning (Vm) kan worden aangesloten, met het kenmerk, dat het capacitieve element een capaciteit (C3) en een parallel daaraan geschakelde diode (D2) omvat, waarbij in serie met de diode (D2) een vooraf bepaalde referentiespan-ning (Uref) kan worden geschakeld.A circuit for modulating a crystal oscillator (1) arranged to generate a fundamental or overtone frequency, comprising a crystal element (X) in series with a series circuit of a self-inductance (L1) and a voltage-controlled capacitive element (D2, C3), where a modulation voltage (Vm) can be connected to the connection point of the capacitive element (D2, C3) and the inductance (L1), characterized in that the capacitive element has a capacity (C3) and comprises a diode (D2) connected in parallel, wherein a predetermined reference voltage (Uref) can be connected in series with the diode (D2). 2. Schakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de diode (D2) een pin-diode is.Circuit according to claim 1, characterized in that the diode (D2) is a pin diode. 3. Schakeling volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de capaciteit (C3) een instelbare capaciteit is.Circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the capacity (C3) is an adjustable capacity. 4. Schakeling volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat het kristal-element (X) een derde overtoon-kristal is.Circuit according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the crystal element (X) is a third overtone crystal. 5. Schakeling volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de kristaloscillator (1) een Colpitts-oscillator is.Circuit according to any one of the preceding claims, characterized in that the crystal oscillator (1) is a Colpitts oscillator. 6. Schakeling volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de overtoon-frequent ie van het kristalelement (X) meer dan 30 MHz en minder dan 100 MHz bedraagt.Circuit according to any one of the preceding claims, characterized in that the overtone frequency of the crystal element (X) is more than 30 MHz and less than 100 MHz.
NL9500575A 1995-03-24 1995-03-24 Circuit for modulation of a crystal oscillator with voltage controlled (pin) diode. NL9500575A (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NL9500575A NL9500575A (en) 1995-03-24 1995-03-24 Circuit for modulation of a crystal oscillator with voltage controlled (pin) diode.
PCT/NL1996/000120 WO1996030996A1 (en) 1995-03-24 1996-03-22 Circuit for modulating a crystal oscillator with voltage-controlled (pin) diode
AU49575/96A AU4957596A (en) 1995-03-24 1996-03-22 Circuit for modulating a crystal oscillator with voltage-con trolled (pin) diode

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NL9500575 1995-03-24
NL9500575A NL9500575A (en) 1995-03-24 1995-03-24 Circuit for modulation of a crystal oscillator with voltage controlled (pin) diode.

Publications (1)

Publication Number Publication Date
NL9500575A true NL9500575A (en) 1996-11-01

Family

ID=19865755

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NL9500575A NL9500575A (en) 1995-03-24 1995-03-24 Circuit for modulation of a crystal oscillator with voltage controlled (pin) diode.

Country Status (3)

Country Link
AU (1) AU4957596A (en)
NL (1) NL9500575A (en)
WO (1) WO1996030996A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000003488A2 (en) * 1998-07-13 2000-01-20 Safety 1St, Inc. Device for transmitting and receiving audible signals
EP3154191B1 (en) 2015-10-09 2020-12-30 The Swatch Group Research and Development Ltd. Drive circuit for an oscillator

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1588778A1 (en) * 1967-09-29 1970-10-22 Siemens Ag Electronically controllable inductive reactance
JPS55133109A (en) * 1979-04-04 1980-10-16 Toyo Commun Equip Co Ltd Crystal oscillator of voltage control
GB2057215A (en) * 1979-07-20 1981-03-25 Nippon Electric Co Multichannel frequency modulator
JPS62195902A (en) * 1986-02-21 1987-08-29 Yaesu Musen Co Ltd Variable frequency oscillator circuit

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3882425A (en) * 1973-08-27 1975-05-06 Boeing Co Linear microwave modulator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1588778A1 (en) * 1967-09-29 1970-10-22 Siemens Ag Electronically controllable inductive reactance
JPS55133109A (en) * 1979-04-04 1980-10-16 Toyo Commun Equip Co Ltd Crystal oscillator of voltage control
GB2057215A (en) * 1979-07-20 1981-03-25 Nippon Electric Co Multichannel frequency modulator
JPS62195902A (en) * 1986-02-21 1987-08-29 Yaesu Musen Co Ltd Variable frequency oscillator circuit

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AL'TSHULLER: "Variation of the center frequency of frequency-modulated quartz oscillators", TELECOMMUNICATIONS AND RADIO ENGINEERING, vol. 27/28, no. 12, WASHINGTON US, pages 47 - 50 *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 12, no. 44 (E - 581) 9 February 1988 (1988-02-09) *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 4, no. 71 (E - 012) 24 May 1980 (1980-05-24) *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 5, no. 3 (E - 040) 10 January 1981 (1981-01-10) *

Also Published As

Publication number Publication date
AU4957596A (en) 1996-10-16
WO1996030996A1 (en) 1996-10-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101095881B1 (en) Variable capacitance circuit having on/off switch for variable capacitance function, and voltage controlled oscillator using the variable capacitance circuit
KR950704850A (en) LOW POWER ELECTRONIC CIRCUIT COMPRISING A RESONANT SYSTEM AND A FUNCTION CIRCUITRY
US6121850A (en) Digitally adjustable inductive element adaptable to frequency tune an LC oscillator
GB2274562A (en) Negative resistance oscillator with electronically tunable base or gate inductance
US7358825B2 (en) Variable capacitance circuit arrangement
WO2002095930A1 (en) Wide band voltage controlled crystal oscillator
NL9500575A (en) Circuit for modulation of a crystal oscillator with voltage controlled (pin) diode.
EP1239584B1 (en) Frequency tracking oscillator and method of operation
EP1902518B1 (en) Voltage controlled oscillator with simultaneous switching of frequency band, oscillation core and varactor size
US6268776B1 (en) Digitally tuned and linearized low voltage crystal oscillator circuit
DE60043939D1 (en) Broad band resonance circuit for a voltage controlled oscillator with high noise immunity
JPH11308050A (en) Voltage-controlled piezoelectric oscillator
KR100474999B1 (en) Voltage regulated oscillator
CA2212821C (en) High stability single-port saw resonator oscillator
CN116886046B (en) Voltage-controlled oscillating circuit
CN111342804B (en) Frequency modulation circuit of quartz crystal oscillator
US20030202313A1 (en) Voltage-controlled capacitor circuit and related circuitry with diode and MOS varactors
KR0167582B1 (en) Voltage controlled oscillator
JPH03131104A (en) Voltage controlled oscillator
KR20010009125A (en) Temperature compensation circuit of crystal oscillator
GB1359936A (en) Oscillator circuit
JP2002359521A (en) Frequency switching type crystal oscillator
JPH04207608A (en) Quartz oscillator
JPH07231219A (en) Voltage controlled oscillator circuit
KR20000014725U (en) Voltage Controlled Oscillator Using Combined Transmission Line

Legal Events

Date Code Title Description
A1B A search report has been drawn up
BV The patent application has lapsed