DE3412866C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Quarzoszillator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Derartige Quarzoszillatoren sind z. B. aus der DE-Z "UKW-Berichte" 1/81, Seiten 24-32 sowie der US-Z "ham-radio magazine", März 79, Seiten 46 und 47 bekannt, wobei jedoch ein Transformator zur Stromverstärkung nicht gezeigt ist. Derartige Transformatoren sind jedoch auch in Verbindung mit Quarzoszillatoren prinzipiell bekannt, wie dieses z. B. die DE-AS 19 39 631 zeigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Quarzoszillator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art so weiterzubilden, daß er eine hohe Kurzzeit- und Langzeit­ stabilität aufweist und das mit ihm erzeugbare Ausgangs­ signal eine große spektrale Reinheit ist.

Bei einem Quarzoszillator der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentan­ spruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der erfindungsgemäße Quarzoszillator zeichnet sich da­ durch aus, daß durch das Anschließen des Amplitudenbe­ grenzers an der Sekundärwicklung des Transformators und die Zuführung des Ausgangssignals des Amplitudenbegren­ zers über einen Bandpaß an die Steuerelektrode des Tran­ sistorverstärkers die vom Amplitudenbegrenzer erzeugte Rauschspannung praktisch nicht verstärkt wird, da von dieser nur das äußerst kleine, durch die Frequenz des Quarzkristalls festgelegte Frequenzband verstärkt werden kann.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Quarzoszillators, und

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild desselben.

Bei der Schaltung nach Fig. 1 ist ein Quarzkristall 1 vorgese­ hen, der in Serienresonanz betrieben wird und dessen Frequenz mit einem Stellkondensator 10 in gewissen Grenzen einstellbar ist. Anstatt der in der Zeichnung dargestellten einzigen Kapa­ zität können auch ein oder mehrere feste und einstellbare Kon­ densatoren verwendet sein oder eine oder mehrere Kapazitäts­ variationsdioden, mit denen sich die Schwingfrequenz elektrisch regeln läßt.

Die mit dem Quarzkristall verbundene aktive Kopplungsstufe 2 bildet einen bipolaren Transistor 20, dessen am Emitter vorhan­ dene Wechselspannungskomponente der Wechselspannung an der Basis folgt.

Der Schwingstrom des Quarzkristalls durchläuft die Emitter- Kollektorstrecke des Transistors 20 und fließt durch die Pri­ märwicklung eines Transformators 3. Der Emitter des Transistors 20 wird gleichstrommäßig über eine Konstantstromquelle 21 ge­ speist, deren Innenwiderstand groß ist gegen den dynamischen Widerstand des Quarzkristalls.

Die Sekundärwicklung des Transformators 3 ist über einen Wider­ stand 40 mit dem Emitter eines in Basisschaltung betriebene bipolaren Transistors 41 verbunden. Die Wechselstromkomponente des Kollektorstromes des Transistors 41 steuert einen Ausgangs­ verstärker 42 an. Am Ausgang desselben tritt ein Bezugsfrequenz­ signal von großer spektraler Reinheit auf. Der Eingangswider­ stand der aus den Transistoren 41 und 42 gebildeten Schaltung hat einen vorgegebenen Eingangswiderstand.

An die Sekundärwicklung des Transformators 3 ist ferner ein symmetrischer Begrenzer-Verstärker 5 angeschaltet. Er liefert an seinem Ausgang eine trapezförmige Wechselspannung, deren Be­ grenzungsspannung zwischen beiden Werten geregelt ist. Dieser Begrenzer-Verstärker ist bei dem dargestellten Ausführungsbei­ spiel ein Differenzverstärker mit einem Paar Transistoren 50 und 51. Der die beiden Emitter dieser Transistoren verbindende Widerstand 52 ist so dimensioniert, daß die beiden Transistoren abwechselnd gesperrt werden, daß also eine Strombegrenzungswir­ kung des Kollektorstromes des Transistors 50 auftritt.

Der Begrenzer-Verstärker 5 treibt ein Bandpaßfilter 6, dessen Mittenfrequenz auf die Schwingfrequenz des Quarzkristalls abge­ stimmt ist und das eine geringe Spannungsüberhöhung aufweist. Dieses Bandpaßfilter bildet eine Wien-Brücke mit den Kondensa­ toren 60 und 61 und den Widerständen 62 und 63. Der Ausgang des Bandpaßfilters steuert die Kopplungsstufe 2 an.

Die Speisespannungen der verschiedenen aktiven Bauteile sind in üblicher Weise erzeugt und gegenüber Schwankungen der Speise­ spannungsquelle stabilisiert.

Die Gesamtheit der Bauteile 1, 2, 3, 5 und 6 ist in einen tem­ peraturgeregelten Behälter 7 eingebaut, der die Temperatur auf einem Wert konstant hält, bei dem die Temperaturabhängigkeit des Quarzkristalls einen minimalen Wert hat.

Die Wirkungsweise des Quarzoszillators ist im folgenden anhand des Blockschaltbildes von Fig. 2 beschrieben.

Durch die Kopplungsstufe 2 wird der Quarzkristall in Serienre­ sonanz erregt, indem eine Rückkopplungsspannung angelegt wird, die von der Sekundärwicklung des Transformators 3 abgenommen, durch den Begrenzer-Verstärker 5 verstärkt und durch das Bandpaßfilter 6 gefiltert worden ist. Die von der Kopplungsstufe 2 an den Quarz gelangende Wechselspannung ist gleich oder etwas kleiner als die Ausgangsspannung des Bandpaßfilters 6. Die Kopp­ lungsstufe 2 speist die Primärwicklung des Transformators 3 mit einem Schwingstrom, der im wesentlichen gleich dem Strom durch den Quarzkristall ist. Der Transformator wirkt dabei als Span­ nungsteiler und Stromverstärker. Der Wechselstrom, der durch den Transistor 41 fließt, ist dabei deutlich höher als der Strom durch den Quarzkristall, in Praxis etwa 2 bis 4mal höher. Daraus ergibt sich, daß der Beitrag des Transistors 41 zu dem Rauschan­ teil der Schaltung minimiert ist. Da außerdem der Schwingstrom des Quarzkristalls direkt an den Ausgangsverstärker 42 gelangt, und zwar über den Transistor 20, den als Stromverstärker dienen­ den Transformator 3 und den Transistor 41, wird durch die Be­ grenzerschaltung und das Filter keine zusätzliche Rauschspannung in die Schaltung eingeführt.

Der Begrenzer-Verstärker 5, der die Schwingung aufrechterhält, ist im Nebenschluß angeschaltet, so daß dessen eigene Rausch­ signale außerhalb des Durchlaßfrequenzbandes des Quarzkristalls nicht verstärkt wird. Der Verstärkungsfaktor des Transistors 20 ist außerhalb dieses Bereichs sehr viel kleiner als 1 und zwar aufgrund der hohen dynamischen Impedanz der Konstantstromquelle 21 oder eines entsprechend hohen Widerstandes.

Die Schaltung ergibt ein Ausgangssignal mit hoher spektraler Reinheit und mit einer Kurzzeitstabilität der Frequenz, die nahe bei derjenigen des Quarzkristalls selbst liegt. Diese Sta­ bilität wird erreicht, ohne daß der Quarzkristall übermäßig be­ lastet wird, was die Langzeitstabilität beeinträchtigen würde. Die Schwingleistung der Schaltung ist vollständig in Grenzen gehalten, da die aktive Kopplungsstufe 2 an die Klemmen des Quarzkristalls eine Wechselspannung legt, die derjenigen an der Basis des Transistors 20 entspricht, also gleich oder etwas kleiner ist als die Ausgangsspannung des Bandpaßfilters 6, welche wiederum durch das begrenzte Signal des Begrenzer-Ver­ stärkers 5 auf einer bestimmten Höhe gehalten wird.

Die Eigenschaften der Oszillatorschaltung lassen sich durch ge­ eignete Wahl der Parameter optimieren. So sollte der Stromver­ stärkungsfaktor des Transistors 20 in Emitterschaltung groß sein, um das Stromverteilungsrauschen zu minimieren. Die Impe­ danzen der Sekundärwicklung des Transformators 3 sollte groß ge­ genüber dem Widerstand 40 sein, um dessen Einfluß auf die Rauschspannung klein zu halten oder auszuschalten. Die Impedanz des Bandpaßfilters 6 sollte so klein wie möglich sein, und der Quarzkristall sollte eine hohe Spannungsüberhöhung haben und einen Serienwiderstand bei Resonanz, der größer ist als der Kehrwert der Eingangsadmittanz des Transistors 20 in Basis­ schaltung, um die Spannungsüberhöhung des Quarzkristalls unter Belastung nicht zu verringern.

Als Beispiel sei angegeben, daß der Quarzoszillator bei einer Schwingleistung des Quarzkristalls von 25 Mikrowatt ein Aus­ gangssignal ergibt, dessen parasitäres Phasenrauschen typischer­ weise minus 164 dBc bei 1 KHz der Hauptfrequenz ist, in diesem Falle 10 MHz.

Die bipolaren Transistoren 20, 41, 50 und 51 können auch von anderem Leitfähigkeitstyp sein als dargestellt oder auch Feld­ effekttransistoren bilden. Das Bandpaßfilter 6 kann auch eine Filterschaltung bilden, welche wesentlich selektiver ist als die Wien-Brücke, besonders bei Verwendung von Quarzkristallen, welche parasitäre Schwingungen erzeugen in der Nähe der Betriebs­ frequenz oder bei Oberschwingungsquarzen.

Claims (3)

1. Quarzoszillator mit einem Quarzkristall (1), mit einem Transistorverstärker (20) zum Verstärken des Schwingstro­ mes des Quarzkristalls, mit einer einen Amplitudenbegren­ zer (5) umfassenden Schaltung zum Erzeugen einer Rückkop­ plungsspannung und mit einem Transformator (3), der den Transistorverstärker (20) mit einem Ausgangsverstärker (4) koppelt, dadurch gekennzeichnet, daß der Amplituden­ begrenzer (5) an die Sekundärwicklung des Transformators (3) angeschlossen ist und daß der Ausgang des Amplituden­ begrenzers (5) über einen Bandpaß (6) mit der Steuerelek­ trode des Transistorverstärkers (20) verbunden ist.

2. Quarzoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Begrenzer (5) als Differenzverstärker mit zwei Transistoren (50, 51) ausgebildet ist, welche so hoch angesteuert werden, daß sie abwechselnd gesperrt sind.

3. Quarzoszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bandpaßfilter (6) als Wienbrücke (60, 61, 62, 63) ausgebildet ist.