DE2818374C2

DE2818374C2 - Frequenzsteuerbarer Quarzoszillator mit großem Ziehbereich

Info

Publication number: DE2818374C2
Application number: DE2818374A
Authority: DE
Inventors: Josef Ing.(grad.) 8021 Hohenschäftlarn Dömer; Gerhard Dipl.-Ing. 8905 Mering Thanhäuser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-04-26
Filing date: 1978-04-26
Publication date: 1984-06-07
Also published as: IT1112245B; DE2818374A1; IT7921965A0; NL178468B; NL7903325A; NL178468C

Description

der Erfindung ergibt sich dadurch, daß es sich bei den Transistoren um npn-Transistoren handeln, deren Emitteranschlüsse miteinander und Ober eine Stromquelle mit Bezugspotential verbunden sind.

Zur Vermeidung von Offset-Problemen ist eine Variante der Erfindung zweckmäßig, bei der die Emitteranschlösse der beiden Transistoren des Differenzverstärkers jeweils getrennt über einen Widerstand mit Bezugspotential und außerdem über einen vierten Kondensator miteinander verbunden sind.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Quarzoszillators nach der Erfindung ergibt sich dadurch, daß mit dem Rollektoranschluß des zweiten Transistors eine Frequenzverdopplerstufe verbunden ist, die eingangsseitig einen Trennverstärker und außerdem eine mit diesem Kollektoranschluß verbundene Doppelweggleichrichterschaltung enthält und daß diese einen Pulsformer speist, dessen Kollektorkreis ein auf die von der Doppelweggleichrichterschaltung erzeugte Schwingung mit der doppelten Frequenz abgestimmter Schwingkreis angeordnet ist und die erzeugte Schwingung an wenigstens einen Eingang eines Schottky-TTL-Gaiters abgibt.

Zur Vermeidung parametrischer Effekte beim Zusammenfallen eines Phasenmodulationsseitenbandes und einer Nebenresonanzstelie des Quarzes ist es vorteilhaft, wenn der verwendete Grundtonquarz in der Umgebung der Resonanzfrequenz nebenresonanzfrei ist.

Da in dem Quarzoszillator nach der Erfindung das wesentliche Ziehelement die Serienschaltung der Varaktordiode und der Induktivität darstellt, ist es zweckmäßig, daß die verwendete Varaktordiode eine vergleichsweise kleine Endkapazität aufweist.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 das Prinzipschaltbild einer Schwingstufe und

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Quarzoszillators.

Die Schwingstufe nach der Fig. 1 enthält die beiden npn-Transistoren Π und T2, deren Emitteranschlüsse miteinander und über eine Stromquelle /_o mit Masse verbunden sind, so daß sich insgesamt eine Differenzverstärkerwirkung ergibt. Der Kollektorarschluß des ersten Transistors Ti ist über einen Parallelkreis, bestehend aus der ersten Induktivität Li, dem parallelgeschalteten Widerstand R 1 und der Reihenschaltung aus der Varaktordiode D 1, dem Grundtunquarz Q und dein ersten Kondensator Cl mit der Betriebsspannung + UB verbunden. An den Verbindungspunkt zwischen dem Grundtonquarz Q und dem ersten Kondensator C 1 ist der Basisanschluß des zweiten Transistors T2 zur Erzeugung des gewünschten Rückkopplungseffektes angeschlossen. An den Verbindungspunkt zwischen dem Grundtonquarz Q und der Varaktordiode D 1 ist über einen zweiten Widerstand R 2 die Ziehspannung Uv für die Varaktordiode geführt. Die Basisanschlüsse der beiden Transistoren sind über einen dritten Widerstand R 3 miteinander verbunden, der Basisanschluß des ersten Transistors T\ ist zusätzlich über den dritten Kondensator CZ mit Bezugspotential verbunden. Zur Sicherheit gegen unerwünschte Überkopplungen ist ein zweiter Kondensator C2 zwischen Betriebsspannung + UB und Bezugspotential geschaltet. Die Serienschaltung der Induktivität L 1, der Kapazität des Kondensators Cl und der wirksamen Kapazität C₁ der Varaktordiode stellt die Lf.streaktanz des Quarzes dar. Diese Lastreaktanz entspricht der Ziehkapazität, für die der Quarz ausgelegt ist. DU';e gemischt kapazitiv und induktiv wirksame Ziehschaltung ermöglicht es, die Varaktordiodenkapazität erheblich kleiner zu wählen als die Lastkapazität des verwendeten Quarzes. Dadui^h ergibt sich gegenüber Oszillatorschaltungen, in denen die Lastkapazität ausschließlich aus der Diodenkapazität der Varaktordiode besteht, eine um den Quotienten aus Lastkapazität und Varaktordiodenkapazität größere Abstimmsteilheit. Die im Kollektorkreis des Transistors Tl erzeugte und am Kondensator Ci anliegende Wechselspannung wird der Basis des Transistors 7~2 zugeführt und schaltet, wenn sie eine Amplitude von etwa 150 mV, überschreitet, annähernd rechteckig und exakt symmetrisch den von der Stromquelle /_o eingeprägten Gleichstrom zwischen den beiden Transistoren Tl und Γ2 wechselseitig um.

Die bei einer Frequenzmodulation des Oszillators zwangsläufig entstehende Amplitudenmodulation des Schwingstroms des Quarzes bzw. der Schwingkreisspannung entsteht durch den mit der Modulation sich ändernden transformierten Quarzresonanzwiderstand, wobei die Transformation über die Quarzparallelkapazitäi und die Läsikäpäziiäi erfolgt. Dorch die symmetrische Umschaltung des eingeprägten Gleichstromes wird jedoch bei Auskopplung des Oszillatorstroms aus dem Kollektorkreis des zweiten Transistors eine sehr exakte symmetrische Begrenzung und damit eine sehr wirksame Begrenzung der Amplitudenmodulation erzielt. Auf diese Weise kann eine Umwandlung von Amplitudenmodulation in Phasenmodulation vermieden werden.

Bei sehr hohen Modulationsfrequenzen ist es zweckmäßig, den Widerstand R 3 mittels einer geeigneten Drossel zu überbrücken und hierdurch eine Einkopplung der Modulationsspannung über die Quarzparallelkapazität auf den Basisanschluß des ersten Transistors zu verhindern. Der Dämpfungswiderstand R1 des Schwingkreises ist so groß zu wählen, daß er die Güte des Schwingkreises entscheidend bestimmt. Dadurch wird der wirksame Quarzresonanzwidersiand ;im den Faktor 2 bis 5 erhöht.

Durch die Reihenschaltung der Diodenkapazität, der Qu arzparallelkapazität und der Kapazität des Kondensators C1 könnte sich der Schwingkreis auf einer zweite Resonanzfrequenz einstellen. Aus diesem Grunde ist die Umlaufverstärkung in der Rückkkopplungsschleife bei der Quarzfrequenz im vorliegenden Falle um den Faktor 10 höher gewählt, so daß die zweite Resonanzfrequenz des Schwingkreises nicht störend in Erscheinung treten kann. Die Serienschaltung der Kapazität der Varaktordiode und der im gezogenen Zustand induktiv wirkenden Reaktanz des Quarzes ergibt in erster Näherung eine kapazitive Reaktanz, deren Wert jedoch den Wert, der durch die Parallelkapazität des Quarzes gegeben i««„ erheblich unterschreitet.

Im vorliegenden Falle wurde die erste Induktivität L 1 abgleichbar aufgeführt, so daß durch di>: Toleranzen des Quarzes und der Varaktordiode ausgeglichen wer den können.

Die Schaltung nach Fig. 2 besteht aus der Reihenschaltung eines Oszillators, eines Frequenzverdopplers und eines Fulsformers. Der Oszillator entspricht dabei dem Oszillator nach der F i g. 1 weitgehend. Bemerkenswert ist lediglich, daß der Bedämpfungswiderstand des Schwingkreises nunmehr gleichzeitig einen Widerstand RM des Basisspannungsteilers des ersten Transistors Ti darstellt und dab die Er.iitteranschlüsse der zweiten Transistoren Ti und T2 über einen vierten Kondensator T4 miteinander und über die Widerstände R 4 und

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RS getrennt mit Bezugspotential verbunden sind. Dadurch entfällt das Aussuchen der Transistoren 7" I und 7~2 auf kleinem Offset.

An den Oszillator ist über den Kondensator C5 der Frequenzverdoppler angeschlossen, der einen durch -, den dritten npn-Transistor 73 und die Widerstände R 7. R 8, R 9 und R 10 gebildeten Trennverstärker und eine Frequenzverdopplcrschaltung enthalt. Die Frequenzverdopplerschaltung enthält einen aus den Kondensatoren C8 und C9 und der zweiten Induktivita; L 2 gebilcteten Schwingkreis, der zwei gegenphasige Spannun gen erzeugt. Mit den beiden Anschlußpunkten des Schwingkreises sind die Schottky-Dioden D2 und /7 3 jeweils getrennt mit einem Anschluß verbunden, wahrend der andere Anschluß der Schottky-Dioden jeweils r. getrennt sowohl über die Widerstände R 12. R 13 mit Betriebsspannung B als auch über die Kondensatoren CS, Cl mit dem Ausgang des Frequen/.vcrdopplcrs verbunden ist.

Der durch den Transistor Ii und die angeschlossc- >(> nen Widerstände gebildete Trennverstärker wurde mit kleinem Eingangswiderstand ausgeführt, so daß der Spannungshub am Kollektoranschluß des Transistors 72 des Oszillators und damit auch die Rückw irkung auf dessen Basis klein bleibt. ji

Die Widerstände R 12, R 13 sind so gewählt, daß sich ein geringer Durchlaßstrom durch die Dioden D 2 bzw. D 3 ergibt und dadurch ein Diodenoffset vermieden wird. Der an den Ausgang des Frequenzverdopplers angeschlossene Pulsformer enthält eine durch den Tran- m sistor 74 und die Widerstände R 14. R 15, R 16. R 18 gebildete weitere Verstärkerstufe, an deren Kollektoranschluß über den Kondensator CIl ein weiterer, aus dem Kondensator C 12 und der Induktivität L 3 gebildeter Schwingkreis auf die vom Frequenzverdoppler er- ii zeugte Frequenz abgestimmt ist. Zur Impulsformung dient weiterhin ein Schottky-TTL-Gatter G, dessen einer E:ngar;gS3nsch!t;ß mit der SchwiMgkre;sinduki;viiäi und dessen restliche Eingangsanschlüsse mit der Betriebssspannung + UB verbunden sind. Dieses Schott- -to ky-TTI.-Gatter wird im aktiven Gebiet der Übertragungskennlinie betrieben. Zur Einstellung auf dieses Gebiet dient eine Vorspannung, die durch die mit dem anderen Anschluß der Schwingkreisinduktivität /. 3 verbundenen, in Reihe geschalteten und in Durchlaßrich- 4j tung beaufschlagten Dioden D 4. O 5 erzeugt wird. Zur Feineinstellung der erzeugten Vorspannung dienen dabei die Widerstände R 19 und R 20. die in Reihe zu den Dioden D 4 und DS geschaltet sind. Die Dioden D4. DS und die Widerstände R 19. R 20 sind durch den An- so blockkondensator C13 kapazitiv überbrückt. Parallel zum Schwingkreis ist eine weitere Schottky-Diode D6 geschaltet, die zur Stabilisierung der Ausgangsamplitude auf einen Wert von etwa 2 V_Ss als Begrenzer ausgebildet ist.

Auf die eigentliche Oszillatorschaltung folgen also zwei weitere Schwingkreise, die eine einem Tiefpaß entsprechende Phasennacheiiung bei Frequenz- bzw. Phasenmodulation verursachen. Damit wirken diese Schwingkreise gleichzeitig als Teil des Tiefpaßfilters des Phase-Iocked-Ioop-Kreises.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

J. Quarzoszillator mit einem Differenzverstärker aus zwei emittergekoppelten Transistoren, bei dem mit dem Kollektoranschluß wenigstens eines der Transistoren ein der. Quarz und andere frequenzbestimmende Elemente enthaltendes Rückkopplungsnetzwerk verbunden ist und bei dem der Differenzverstärker als geschaltete Stromquelle ausgebildet ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektoranschluß des ersten Transistors (Ti) über eine Reihenschaltung aus einer Varaktordiode (D X), einem Grundtonquarz (Q) und einem ersten Kondensator (Ci) mit Betriebsspannung {+ Ub) verbunden ist und daß dieser Reihenschaltung eine erste Induktivität (L 1) als Teil des die frequenzbestimmenden Elemente enthaltenden Rückkopplungsnetzwerkes, die durch einen ersten Widerstand (Rl, RU) bedämpft ist, parallel geschaltet ist, daß an die Verbindungsstelle ^wischen der Varaktordiode (Di) und dem Grundtonquarz (Q) Ober einen zweiten Widerstand (R 2) die Ziehspannung zugeführt ist, daß der Basisanschluß des zweiten Transistors (T2) über einen dritten Widerstand (R 3) an den Basisanschluß des ersten Transistors (Ti) und außerdem an die Verbindungsstelle zwischen dem Grundtonquarz (Q) und dem ersten Kondensator (C 1) angeschlossen ist, daß der Basisanschluß des ersten Transistors über einen dritten Kondensator (C3) mit Bezugspotential verbunden ist.
2. Quarzoszillator nach Patentanspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei ΐ4η Transistoren um npn-Transistoren handelt, deren Emitteranschlüsse miteinander und über eine Sironvuelle mit Bezugspotential verbunden sind.
3. Quarzoszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitteranschlüsse der beiden Transistoren des Differenzverstärkers jeweils getrennt über einen Widerstand (R 4, R 5) mit Bezugspotential und außerdem über einen vierten Kondensator (C4) miteinander verbunden sind.
4. Quarzoszillator nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Kollektoranschluß des zweiten Transistors (T2, 74) eine Frequenzverdopplerstufe verbunden ist, die eingangsseitig einen Trennverstärker und ausgangsseitig eine Doppelweggleichrichterschaltung enthält und daß diese einen Pulsformer speist, in dessen Kollektorkreis ein auf die von der Doppelweggleichrichterschaltung erzeugte Schwingung mit der doppelten Frequenz abgestimmter Schwingkreis angeordnet ist und die erzeugte Schwingung an wenigstens einen Eingang eines Schottky-TTL-Gatters abgibt.
5. Quarzoszillator nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Grundtonquarz in der Umgebung der Resonanzfrequenz nebenresonanzfrei ist.
6. Quarzoszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Varaktordiode eine vergleichsweise kleine Endkapazität aufweist.
7. Quarzoszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Betriebsspannung verbundene Widerstand des Basisspannungsteilers gleichzeitig die erste Induktivität bedämpft.

Die Erfindung betrifft einen Quarzoszillator mit einem Differenzverstärker aus zwei emittergekoppelten Transistoren, bei dem mit dem Kollektoranschluß wenigstens eines der Transistoren ein den Quarz und andere frequenzbestimmende Elemente enthaltendes Rückkopplungsnetzwerk verbunden ist und bei dem der Differenzverstärker als geschaltete Stromquelle ausgebildet ist.

Derartige Anordnungen sind aus der »Funkschau«

ίο 1971, H. 15, S. 465 und 466 bekannt. Zur Erzielung höherer Frequenzen werden in den dort gezeigten Fällen Obertonquarze verwendet. Für die Einführung einer Frequenzsteuerung können Quarzoszillatoren in bekannter Weise eine Varaktordiode enthalten, deren Kais {.-azität in Abhängigkeit von der angelegten Spannung veränderbar ist. Zu diesem Zweck wird die Varaktordiode in Reihe mit dem zu ziehenden Quarz geschaltet, wobei auf die Beibehaltung eines Gleichstromwegs zu achten ist.

Aus »DL QTC«, Heft 9, 1970, Seiten 510 bis 519, ist insbesondere aus Abbildung 5 eine Oszillatorschaltung für Grundweiienquarze für den Frequenzbereich von 800 bis 20 000 kHz bekannt, die mittels eines einzigen Transistors in kapazitiver Dreipunktschaltung aufgebaut ist. Zu dem Grundwellenquarz ist in Reihe als Ziehkondensator ein Trimmer geschaltet, zu dieser Reihenschaltung ist die Serienschaltung zweier weiterer Kondensatoren in der Ruckkopplungsschleife parallel geschaltet, so daß sich ein vergleichsweise geringer Ziehbereich ergibt.

Für die Verwendung von Phase-locked-loop-Schaltungen ist eine bei Frequenzmodulation des Quarzoszillators von diesem abgegebene Amplitudenmodulation besonders störend. Bei den Quarzoszillatorschaltungen nach dem Stande der Technik ist es ohne sehr großen Aufwand nicht möglich, gleichzeitig zur Verhinderung der störenden Amplitudenmodulation eine gute symmetrische Begrenzerwirkung und außerdem eine gioße Frequenzziehbarkeit zu erreichen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht o.'io darin, Quarzoszillatoren mit großer Ziehbarkeit und sehr guter symmetrischer Begrenzerwirkung zu schaffen, die in Phaselocked-loop-Schaltungen auch bei Frequenzen oberhalb 10 MHz einsetzbar sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kollektoranschluß des ersten Transistors über eine Reihenschaltung aus einer Varakterdiode, einem Grundtonquarz und einem ersten Kondensator mit Betriebsspannung verbunden ist und daß dieser Reihenschaltung eine erste Induktivität als Teil des die frequenzbestimmenden Elemente enthaltenen Rückkopplungsnetzwerkes, die durch einen ersten Widerstand bedäTi.pft ist, parallel geschaltet ist, daß an die Verbindungsstelle zwischen der Varaktordiode und dem Grundtonquarz über einen zweiten Widerstand die Ziehspannung zugeführt ist, daß der Basisanschluß des zweiten Transistors über einen dritten Widerstand an den Basisanschluß des ersten Transistors und außerdem an die Verbindungsstelle zwischen dem Grundtonquarz und dem ersten Kondensator angeschlossen ist, daß der Basisanschluß des ersten Transistors über einen dritten Kondensator mit Bezugspotential verbunden ist.

Bei der Erfindung ergibt sich in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, den Quarzstrom ohne Amplitudenregelung konstant zu halten und dadurch eine unzulässige Verschiebung der dynamischen Kapazität der verwendeten Varakterdiode zu verhindern.

Eine bevorzugte Variante des Quarzoszillators nach