DE3437923C1

DE3437923C1 - Spannungsgesteuerter Oszillator

Info

Publication number: DE3437923C1
Application number: DE3437923A
Authority: DE
Inventors: Hisakazu Yokohama Hitomi; Takashi Fukaya Saitama Koga
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-10-17
Filing date: 1984-10-17
Publication date: 1986-07-17
Also published as: US4600897A

Description

Es sei die ideale Schwingungsfrequenz Fj der betrachteten Schaltung untersucht. Die Basispotentiale VB6(2) und VB,(2) der Transistoren Q 6 und Q7 während der Zeit T2 sind wie folgt: VB6t2ì = VCC - VBE2 - VBE5 (1) VB2> 1 ( V« - VBEl - VBE4 (2) dabei sind V( die Spannung der Stromquelle +B, V,>y die Spannung der Spannungsquelle V1 und VBEn die Durchlaßspannung an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 9n (n = 1 bis 9) (dies gilt für die unten angegebenen Gleichungen). Der Transistor Q6 istjetzt eingeschaltet und von Gleichung (l) ergibt sich das Emitterpotential VE(M(2) des Transistors Q 6 wie folgt: VEf(2ì = - VBE2 - VBES - VBEO (3) Wie aus Gleichung (3) zu ersehen, liegt das Emitterpotential Vr6i2 des Transistors Q 6 fest. Auf der anderen Seite fällt das Emitterpotential VE7(2)E des gesperrten Transistors Q7 mit dem Ladevorgang des Kondensators C.
Wenn das Emitterpotential VE7(2)E des Transistors Q 7 am Ende der Zeit T2 um die Durchlaßspannung der Basis-Emitter-Strecke unter das Basispotential VB@(2) des Transistors Q 7 fällt, wie es durch Gleichung (2) gegeben ist, wenn also folgende Gleichung erfüllt ist: VE7(2)E = VCC - Vre,- VBEI - VBE4 - Vae7 (4) dann kehrt sich der Zustand der Schaltung um und kehrt zu dem Zustand der Zeit T1 zurück. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich das Emitterpotential VI7,() des Transistors Q7 augenblicklich zu VE7(i) = VCC - VBE2 - VBE4 Vl1E7 (5) da der Transistor Q 7 vom Sperrzustand in den Leitzustand umgeschaltet wird. Das Emitterpotential des Transistors Q 7 wechselt augenblicklich von VE7(2?£ ZU VE7(I . Die Potentialdifferenz zwischen diesen beiden Emitterpotentialen ergibt sich durch Subtraktion der Gleichung (4) von Gleichung (5). Man erhält: VE7(1) - VE7(2) = Vrq (6) Es muß angemerkt werden, daß diese Betrachtung auf der Annahme basiert, daß die Durchlaßspannung VBD, über der Basis-Emitter -Strecke aller Transistoren gleich ist. Das Potential Vrq wird so auf den Emitter des Transistors Q 6, der mit einem Belag des Kondensators C verbunden ist, übertragen. Das Emitterpotential VE6(1)S des Transistors Q6 zu Beginn der Zeit T1 ist: VL.6t1)s = VCC - VBE2 - VBES - VBE6 + Vrcf (7) Diese Gleichung ist von Gleichung (3) abgeleitet. Ausgehend von diesem Zustand beginnt sich der Kondensator C in umgekehrter Richtung wie im Fall der Zeit T2 zu laden. Dabei fällt das Emitterpotential des Transistors Q6 allmählich ab und erreicht folgenden Wert: VE(,(I)E = VCC - Vref - VBE3 - VBE5 - VBE6 (8) Zu diesem Zeitpunkt wechselt die Schaltung augenblicklich vom Zustand der Zeit T1 zu demjenigen der Zeit T2.
Während der Zeit T1 ist der Transistor Q7 leitend, und sein Emitterpotential VE@(1) wie folgt festgelegt: VE7( I ) = VCC - VBE2 - VBE4 - VBE7 (9) Die Potentialänderung A Vc über dem Kondensator C während einer Periode bzw. einer der genannten Zeiten ergibt sich durch Subtraktion der Gleichung (8) von Gleichung (7) und ist: A Vc = VE6(l)5 - VE6(1)E = 2 Vrc: (10) Wieder ist angenommen, daß die Durchlaßspannung VBDI über der Basis-Emitter-Strecke aller Transistoren gleich ist.
Während der Zeit T 1 hängt der in den Kondensator C fließende Strom von Kollektorstrom des Transistors Q 8 ab. Während der Zeit T2 hängt er vom Kollektorstrom des Transistors Q9 ab. Wenn die Transistoren Q8 und Q 9 dieselben Eigenschaften besitzen und die Widerstände R 3 und R 4 denselben Wert aufweisen, dann sind die Kollektorströme der Transistoren Q 8 und Q9 gleich. Der Wert dieses Stromes ic wird mittels der Steuerspannung VI gesteuert, wie aus Fig. 1 ersichtlich. Die Länge t der Zeiten T1 und T2 ist: t= #VC.Ca = 2 Vref. Ca (11) ic ic wobei Ca die Kapazität des Kondensators C ist.
Die ideale Schwingungsfrequenz Fr bei einer Periode von 2 t ist: Fi = ## = ######## (12) Geichung (12) lehrt, daß die Schwingungsfrequenz F,durch Steuerung des Stromes ic mittels der Steuerspannung Vf linear geändert werden kann.
Bei einer praktischen Schaltung ist eine Betriebsverzögerung infolge parasitärer Kapazitäten der Schaltungselemente und der Streukapazität der Schaltungsverdrahtung unvermeidlich. Diese Verzögerung tritt bei der Umkehrung des Betriebszustands der Schaltung, das heißt an der Grenze zwischen den Zeiten Tl und T2 auf.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, beobachtet man Verzögerungen TdI und Td2 bei der Anstiegszeit und bei der Abfallzeit der Signalverläufe A bis D und der Potentialdifferenz # VC. Führt man diese Verzögerungen Tdl und Td2 ein, dann ergibt sich die tatsächliche Schwingungsfrequenz Kr zu Wie aus Gleichung (13) hervorgeht, kann die tatsächliche FrequenzFrauchdurchdenStrom icgesteuertwer den, die Linearität der Frequenz Fr über dem Strom ic leidet aber unter der Existenz des Terms (Tdl + Td2). Da dieser Term (Tdl + T"2) fest ist, macht sich die Linearitätsverschlechterung stärker bemerkbar, wenn die Frequenz Frzu hohen Werten gesteuert wird (wenn also die Dauer t klein gemacht wird). Der Zusammenhang zwischen der Schwingungsfrequenz und der Steuerspannung VI der Schaltung ist in Fig. 4 gezeigt. Die Darstellung zeigt, daß die Nicht-Linearität mit zunehmender Schwingungsfrequenz deutlicher wird.
Ein Oszillator mit dem grundsätzlichen Aufbau, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, ist aus der DE-AS 22 52 774 und aus »Patents Abstracts ofjapan« E-52 April 16, 1981 Vol. 5/No. 55 bekannt. Aus »Patents Abstracts ofjapan« E-7 April 18, 1980 Vol. 4/No. 52 ist es bekannt, bei einem spannungsgesteuerten Multivibrator Stromquellen mit einem FET zu realisieren, um dadurch die Linearität der Spannungs-Frequenz-Kennlinie zu verbessem.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen spannungsgesteuerten Oszillator mit einer besseren Schwingungsfrequenz/Steuerspannungs-Kennlinie zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen spannungsgesteuerten Oszillator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dieser spannungsgesteuerte Oszillator mit einem emittergekoppelten astabilen Multivibrator umfaßt einen ersten Transistor, einen zweiten Transistor, eine zwischen die Emitter dieser beiden Transistoren geschaltete Reihenschaltung, die wenigstens einen Kondensator und ein Impedanzelement enthält, das im Betriebsfrequenzbereich des spannungsgesteuerten Oszillators einen Imaginärteil besitzt, der gegenüber dem Realteil vernachlässigbar ist.
Der spannungsgesteuerte Oszillator enthält ferner eine erste und eine zweite Last, die an den Kollektor des ersten bzw. des zweiten Transistors angeschlossen sind, eine Rückkopplungseinrichtung zwischen dem Kollektor des ersten Transistors und der Basis des zweiten Transistors sowie zwischen dem Kollektor des zweiten Transistors und der Basis des ersten Transistors, eine erste und eine zweite Stromquelle, die jeweils an den Emitter des ersten bzw. des zweiten Transistors angeschaltet sind, und eine Steuerspannungsquelle, die gemeinsam mit der ersten und der zweiten Stromquelle verbunden ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein Schaltbild eines herkömmlichen spannungsgesteuerten Oszillators mit einem emittergekoppelten astabilen Multivibrator, Fig. 2 ideale Signalverläufe an verschiedenen Punkten der Schaltung von Fig. 1, Fig. 3 tatsächliche Signalverläufe an verschiedenen Punkten in der Schaltung von Fig. 1, Fig. 4 grafisch den Zusammenhang zwischen der Schwingungsfrequenz und der Steuerspannung in der Schaltung von Fig. 1, Fig. 5 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des spannungsgesteuerten Oszillators gemäß der Erfindung, Fig. 6 zum Vergleich den Signalverlauf am Emitterkoppelkondensator der Schaltung nach Fig. 1 bzw. Fig. 5, Fig. 7 den Zusammenhang zwischen Schwingungsfrequenz und Steuerspannung bei der Schaltung von Fig. 5 und Fig. 8 ein Schaltbild eines spannungsgesteuerten Oszillators gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Es wird nun auf Fig. 5 Bezug genommen, die einen spannungsgesteuerten Oszillator eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt. Der einzige Unterschied zwischen den Schaltungen nach Fig. 5 und Fig: 1 besteht darin, daß in der Schaltung von Fig. 5 ein Widerstand R mit dem Kondensator C in Reihe geschaltet ist.
Man sieht, daß eine Reihenschaltung aus dem Widerstand R und Kondensator C zwischen die Emitter der Transistoren Q6 und Q7 geschaltet ist. Die übrige Schaltungsanordnung ist die gleiche wie bei Fig. 1, so daß keine weitere Erläuterung gegeben werden soll.
Im Betrieb fließt der Ladestrom ic durch den Widerstand R zum Kondensator C. Der Spannungsabfall A VR über dem Widerstand R ist dann: d VR = EC Ra (15) wobei Ra der Widerstandswert des Widerstands R ist. Wenn der Widerstand R nicht vorhanden ist, ist die Spannung (Potentialdifferenz) d Vc über dem Kondensator C gemäß Gleichung (10) 2 Veb, und in der Schaltung von Fig. 5 beträgt diese Spannung am Kondensator C A Vc<R) = 2 Vef ic Ra Unter Berücksichtigung der Verzögerungszeiten TdI und rd2 der Schaltungselemente ergibt sich die Schwingungsfrequenz FdR ZU Wenn in dieser Gleichung (16) der Wert R des Widerstands R so gewählt wird, daß er Gleichung (17) genügt Ra = rd + SLX (17) 2 Ca dann kann Gleichung (16) wie folgt umgeschrieben werden: Fr(R) Ca (18) 4Vef Ca Diese Gleichung ist die gleiche wie die für den idealen Fall abgeleitete Gleichung (12). Unter dieserVoraussetzung kann also die Schwingungsfrequenz F,(R) linear durch den Strom ic gesteuert werden.
Der Zeitverlauf der Spannung über dem Kondensator C ist in Fig. 6 gezeigt. Der Verlauf (a) in Fig. 6 wurde für den Fall Ra =0, also für den herkömmlichen Fall aufgezeichnet. Der Verlauf(b) in Fig. 6 wurde für Ra = (rd l + rd2)/2 Ca, also für den Fall der vorliegenden Erfindung aufgezeichnet. Wie aus dem Verlauf(b) hervorgeht, ist für jeden Strom i( die Periode 2 t und entspricht damit dem idealen Verlauf. In Fig. 6 ist die Zeitdauer t' t = t- (rad) + rd2) (19) 2 Fig. 7 zeigt den Zusammenhang zwischen der Frequenz FriR) und der Steuerspannung VI mit dem Widerstand Ra als Parameter. Die Grafik zeigt, daß die Kennlinie linear ist, wenn Ra = (r + rd2)/2 Ca ist, und sonst nichtlinear ist.
Der Widerstand R kann durch irgendein anderes Element ersetzt werden, wenn dieses bei der Frequenz F, als Widerstandselement arbeitet. Beispielsweise kann ein Impedanzelement oder eine IC-Schaltung verv-endet werden, wenn sie für die Frequenz F, einen bezüglich dem Realteil vernachlässigbaren Imaginärteil besitzt.
Fig. 8 zeigt einen spannungsgesteuerten Oszillator als ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Beispiel ist der Widerstand R ersetzt durch zwei Widerstände R 1 und R 2, die in einer Reihenschaltung an die beiden Belege des Kondensators C angeschlossen sind. Es ist evident, daß dieses Ausführungsbeispiel zu einer ähnlichen Wirkung wie das erste Ausführungsbeispiel führt.
Wenn der spannungsgesteuerte Oszillator als IC hergestellt wird und der Kondensator C extern an das IC-Chip angeschlossen wird, dann sind die Anschlüsse P1 und P2 für den externen Anschluß des Kondensators C zusätzlich erforderlich. In diesem Fall können aber die Widerstände R 1 und R 2 als Schutzwiderstände zur Vermeidung von Überströmen für die Transistoren Q6 und Q 7, die jeweils an die Anschlußstifte P1 bzw. P 2 angeschlossen sind, dienen. Damit diese Wirkung für die beiden Transistoren Q6 und Q 7 maximal wird, sollten die Werte der Widerstände R 1 und R 2 zu Ra/2 gewählt werden. Bei der Herstellung elektronischer Geräte mit dem spannungsgesteuerten Oszillator können die externen Anschlußstifte P1 und P2 versehentlich mit Speisespannungsanschlüssen verbunden werden. In diesem Fall schützen die Widerstände R 1 und R 2 die Transistoren Q 6 und Q7 vor einem Überstrom.
Wie aus dem Vorangehenden ersichtlich, besitzt der spannungsgesteuerte Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung eine gute Linearität der Schwingungsfrequenz/Steuerspannungs-Kennlinie und eignet sich für die IC Herstellung. Ein solcher spannungsgesteuerter Oszillator läßt sich dadurch realisieren, daß lediglich wenigstens ein Widerstandselement mit dem Emitterkoppelkondensator in Reihe geschaltet wird.
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Claims

Patentansprüche: 1. Spannungsgesteuerter Oszillator mit einem emittergekoppelten astabilen Multivibrator, umfassend einen ersten und einen zweiten Transistor ( Q 6, Q 7), zwischen deren Emitter ein Kondensator (C) geschaltet ist, eine erste und eine zweite Last, die jeweils an die Kollektoren des ersten und des zweiten Transistors (Q 6, Q 7) geschaltet sind, eine Rückkopplungseinrichtung (Q 4, Q 5), die zwischen den Kollektor des ersten Transistors (Q 6) und die Basis des zweiten Transistors (Q 7) und zwischen den Kollektor des zweiten Transistors und die Basis des ersten Transistors geschaltet ist, eine erste und eine zweite Stromquelle (R 3, Q 8, R 4, Q 9), die mit dem Emitter des ersten bzw. dem des zweiten Transistors verbunden sind, und eine Steuerspannungsquelle, die gemeinsam mit der ersten und der zweiten Stromquelle (R 3, Q 8, R 4, Q 9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impedanzelement (R), das im Betriebsfrequenzbereich des spannungsgesteuerten Oszillators einen in bezug auf den Realteil vernachlässigbaren Imaginärteil aufweist mit dem Kondensator ( C) in Reihe geschaltet ist und die Reihenschaltung von Impedanzelement (R ) und Kondensator (C) zwischen die Emitter von erstem und zweitem Transistor (Q 6, Q 7) geschaltet ist.
2. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzelement ein einzelner Widerstand (R) ist.
3. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des Widerstands (R) im wesentlichen gleich ist einem Wert, den man erhält, wenn man die Summe derVerzögerungszeiten, die von den Schaltungselementen während einer Periode des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators hervorgerufen werden, durch den doppelten Wert der Kapazität des Kondensators (C) teilt.
4. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzelement ein Widerstandspaar (R 1, R 2) mit im wesentlichen gleichem Widerstandswert ist.
5. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Widerstände (R 1, R 2) mit einem Ende an den Emitter des ersten bzw. des zweiten Transistors (Q 6, Q 7) und mit den anderen Enden an ein Paar externer Anschlußstifte (P1, P2) angeschlossen sind und der Kondensator (C) zwischen die beiden Anschlußstifte (P1, P2) geschaltet ist.

Die Erfindung betrifft einen spannungsgesteuerten Oszillator mit einem emittergekoppelten astabilen Multivibrator.

Spannungsgesteuerte Oszillatoren werden häufig in elektronischen Geräten verwendet, bei denen eine Span nungsfrequenzumsetzung erforderlich ist, wie bei FM-Modulatoren, PLL-Schaltungen und Spannungs-Frequenz-Umsetzern.

Unter bezug aufFig. 1 soll ein herkömmlicher spannungsgesteuerter Oszillator mit einem emittergekoppelten astabilen Multivibrator im Hinblick auf Probleme beschrieben werden, die beim Stand der Technik auftreten.

In Fig. 1 bilden Transistoren Q 1 bis Q 7, Widerstände R 1 und R 2, eine Spannungsquelle V1, Stromquellen 11 und 12 sowie ein Kondensator C zusammen einen emittergekoppelten astabilen Multivibrator. Transistoren Q8 und Q9 sowie Widerstände R 3 und R 4 bilden eine Schaltung zur Umsetzung einer Steuerspannung VI der Spannungsquelle V2 in einen Strom. Diese Schaltung liefert den Betriebsstrom für den Multivibrator.

Fig. 2 zeigt den ZeitverlaufderSignale, die im Betrieb bei der Schaltung von Fig. landen PunktenA bis D auftreten. In diesem Diagramm ist der Leitzustand der Transistoren Q 1, Q 3, Q 6 und Q 7 als hoher Pegel dargestellt, während der Sperrzustand als niedriger Pegel gezeigt ist. Während einer Zeit T1 sind die Transistoren Q 3 und Q 7 eingeschaltet (leitend), während die Transistoren Q 1 und Q6 durch die Wirkung einer Mitkopplung gesperrt sind. Der Strompfad des Kondensators C verläuft über den Emitter des Transistors Q 7, den Kondensator C und den Kollektor des Transistors Q 8. In den Kondensator C fließt ein vom Kollektorstrom des Transistors Q8 bestimmter Strom. Da unter dieser Voraussetzung der Transistor Q 7 leitend ist, ist sein Emitterpotential festgelegt. Während sich der Kondensator C auflädt, fällt das Emitterpotential des Transistors Q 6, bis dieser eingeschaltet wird. Unmittelbar nachdem der Transistor Q6 eingeschaltet wird, wird auch der Transistor Q 1 eingeschaltet, während die Transistoren Q 3 und Q 7 aufgrund der Mitkopplung gesperrt werden. Dieser Betriebszustand der Schaltung entspricht der Zeit T2 in Fig. 2. Die Zeiten T1 und T2 wiederholen sich abwechselnd, so daß die Schwingung anhält.