NL9500575A - Schakeling voor modulatie van een kristaloscillator met spanningsgestuurde (pin-)diode. - Google Patents

Description

Schakeling voor modulatie van een kristaloscillator met spanningsge-stuurde (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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Bij voorkeur bestaat de overtoon-kristaloscillator uit een 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.

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.

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.

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.

De modulatiespanning Vm wordt via een tweede weerstand R2 aan de kathode van de Varicap-diode D1 aangeboden.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

2. Schakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de diode (D2) een pin-diode is.

3. Schakeling volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de capaciteit (C3) een instelbare capaciteit is.

4. Schakeling volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat het kristal-element (X) een derde overtoon-kristal is.

5. Schakeling volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de kristaloscillator (1) een Colpitts-oscillator is.

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.