DE4341179C2 - Akustischer Oberflächenwellenoszillator - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen akustischen
Oberflächenwellenoszillator und insbesondere auf einen Os
zillator, der ein Signal mit einem vorbestimmten Frequenz
mit einem erwünschten Mehrfachen N (N: irgendeine positive
ganze Zahl, nicht kleiner als 2) multipliziert, um dadurch
ein Signal mit einer Frequenz, die N-mal der vorbestimmten
Frequenz entspricht, ausgangsseitig zu erzeugen.
Wenn ein Hochfrequenz-Signal erfordert ist, ist ein akusti
scher Oberflächenwellenoszillator (im Folgenden als SAW-
Oszillator bezeichnet) durch einen SAW-Resonator und einen
Oszillator aufgebaut, der eine vorbestimmte Frequenz im Zu
sammenhang mit interdigitalen Wandlern (im Folgenden als IDT
bezeichnet) des SAW-Resonators erzeugt, um dadurch ein
Signal der vorbestimmten Frequenz zu erhalten. Nachdem die
Resonanzfrequenz des SAW-Resonators durch die Linienbreite
oder ähnliches der IDT bestimmt ist, ist die Frequenz, die
die Resonanz bestimmt, auf die Verarbeitungsbeschränkung des
SAW-Resonators beschränkt. Die Oszillationsfrequenz beträgt
als solche virtuell höchstens 1 GHz, wenn der SAW-Oszillator
aus dem SAW-Resonator und dem Oszillator besteht.
In dem Fall, in dem ein Signal mit einer höheren Frequenz
als 1 GHz benötigt wird, wird herkömmlicherweise ein Fre
quenzmultiplizierer verwendet, um ein Signal mit der er
wünschten Frequenz zu erhalten.
Obwohl es möglich ist, ein Signal der erwünschten Frequenz
durch Multiplikation des ursprünglichen Signals durch den
Frequenzmultiplizierer zu erhalten, schließt das Ausgangs
signal des Multiplizierers viele höhere Harmonische ein. Die
zwangsläufigen höheren Harmonischen sollten entfernt werden,
um ein Signal mit lediglich der erwünschten Frequenz zu er
halten, was jedoch teuere Bauteile, wie zum Beispiel Band
paßfilter, etc., notwendig macht.
Der Artikel "Phase shifters simplity frequency-multiplier
design" von F. Brown in Electronics, 13. Januar 1982, S. 162,
163, beschreibt eine Frequenzmultipliziererschaltung zur Er
zeugung einer spektralreinen Ausgabe ohne daß eine Filterung
notwendig wäre. Dort wird ein Eingangssignal an die Fre
quenzmultipliziererschaltung angelegt, aufgeteilt und mit
unterschiedlichen Phasenverschiebungen beaufschlagt, wobei
die einzelnen Teilsignale verstärkt und am Ausgang der
Schaltung summiert werden.
Die US-A-3,968,448 beschreibt ein elektrisches Filter, das
eine Verzögerungsleitung verwendet, wobei die Verzögerungs
leitung durch ein akustische Oberflächenwellenverzögerungs
leitung gebildet sein kann.
Der Artikel "SAW Oszillators-Their current status" von S. C.
Gratze im Microwave Journal, Dez. 1977, S. 45 bis 48, 57, be
schreibt drei Gruppen von sogenannten SAW-Oszillatoren, näm
lich die Gruppe der Basis-SAW-Oszillatoren, die Gruppe der
Multimode SAW-Oszillatoren und die Gruppe der SAW-Resonator
oszillatoren, wobei die Oszillatoren der SAW-Resonatoroszil
latoren aus einem SAW-Resonator und aus einer Resonator
schaltung bestehen.
Die JP 56-52905 A, zeigt einen Oberflächenwellen-Oszillator,
bei dem ein erstes Paar von Elektroden und ein zweites Paar
von Elektroden auf einer piezoelektrischen Basisplatts ge
bildet sind. Oszillatoren sind durch Verbinden der Elektro
denpaare mit Eingangs- und Ausgangsanschlußklemmen eines je
weiligen Verstärkers gebildet.
Die US-A-4,249,146 zeigt einen akustischen Oberflächenreso
nator, der einen interdigitalen Wandler, der konfiguriert
ist, um akustische Wellen bei mindestens einer harmonischen
Frequenz zu erzeugen, und ein Paar von Reflektionsgittern
aufweist, das eine im wesentlichen Totalreflexion der aku
stischen Wellen sowohl bei der Grundwelle als auch bei Ober
schwingungswellen ermöglicht. Eintor- und Zweitorresonatoren
sind offenbart, die einen Betrieb bei der Grundwelle und bei
Oberschwingungen ermöglichen, um eine höhere Betriebsfre
quenz zu ermöglichen, ohne höhere Auflösungserfordernisse
für den Herstellungsprozeß.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Oberflä
chenwellen-Oszillator zu schaffen, der fähig ist, ein er
wünschtes Signal mit geringer Störstrahlung und einer hohen
Frequenz ohne Verwendung teuerer Bauteile, wie zum Beispiel
Bandpaßfilter, etc., zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen akustischen Oberflächenwel
lenoszillator gemäß Anspruch 1 erfüllt.
Der SAW-Resonator hat N interdigitale Wandler, die auf dem
piezoelektrischen Substrat in einer Art angeordnet sind, um
die Phasendifferenz von jeweils 2π/N bezüglich eines Signals
mit einer vorbestimmten Frequenz anzunehmen. Der Oszillator
oszilliert mit der vorbestimmten Frequenz, die die Phasen
differenz von jeweils 2π/N im Zusammenhang mit jedem der
Interdigitalwandler hat. Währenddessen multipliziert der
Operator jedes der N Signale der vorbestimmten Frequenz, die
von dem Oszillator ausgegeben werden, und die die Phasendif
ferenz von jeweils 2π/N haben, um dadurch ein Signal mit der
Frequenz, die N-mal mit der vorbestimmten Frequenz multipli
ziert ist, auszugeben.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm eines dielektrischen SAW-Os
zillators gemäß einem bevorzugten Ausführungsbei
spiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm eines dielektrischen SAW-Os
zillators gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
Ein dielektrischer SAW-Oszillator (akustischer Oberflächen
wellenoszillator) bei einem ersten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf ein Schal
tungsdiagramm, das in Fig. 1 gezeigt ist, beschrieben.
Der dielektrische SAW-Oszillator ist fähig, ein Signal mit
einer Frequenz, die zweimal der Frequenz entspricht, die
durch den SAW-Resonator erzeugt wurde, auszugeben.
Gitterreflektoren (im Folgenden als GR-Reflektoren bezeich
net) 8, 10 und IDTs (Interdigitalwandler) 12, 14 sind auf
einem piezoelektrischen Substrat 4 eines SAW-Resonators 2
gebildet. Ein Resonanzhohlraum ist akustisch zwischen den
GR-Reflektoren 8 und 10 definiert, in dem stehende aku
stische Oberflächenwellen erzeugt werden. Wenn die IDTs 12,
14 relativ zu dem Hohlraum zur Kopplung mit den stehenden
Wellen angeordnet sind, wird deshalb eine piezoelektrische
Schwingung erreicht. Wenn das Resonanzsignal des SAW-Reso
nators 2 eine Mittenfrequenz von f0, die Wellenlänge λ0 und
die Ausbreitungsgeschwindigkeit VSAW hat, wird die folgende
Beziehung erhalten:
λ0 = VSAW/f0
Es ist offensichtlich, daß die Phasendifferenz von 2π zwi
schen Punkten, die eine Wellenlänge λ0 beabstandet sind,
beobachtet wird. Mit anderen Worten werden die IDTs 12, 14
in derselben Phase gehalten, wenn die IDTs 12, 14 mit einer
Phasendifferenz von 2π beabstandet sind. Entsprechend dem
ersten Ausführungsbeispiel sind die IDTs 12 und 14 beabstan
det, um Signale zu empfangen, die eine Phasendifferenz von π
haben. Mit anderen Worten sind die IDTs 12 und 14 in Einhei
ten der Wellenlänge wie folgt beabstandet:
1/2λ0 + M . λ0
wobei M Null oder irgendeine positive ganze Zahl ist.
Der IDT 12 ist mit Anschlüssen 16, 18 versehen, und der IDT
14 ist mit Anschlüssen 20, 22 versehen.
Während die Anschlüsse 16, 20 des SAW-Resonators 2 auf Masse
liegen, ist der Anschluß 18 mit einer Schaltung 24 verbunden
und der Anschluß 24 ist mit einer Schaltung 26 verbunden.
Der IDT 12 und die Schaltung 24 bilden eine Colpitts-Oszil
latorschaltung, die bei einer Frequenz f0 oszilliert. Auf
ähnliche Weise bildet der IDT 14 zusammen mit der Schaltung
26 eine Colpitts-Oszillatorschaltung, die mit derselben Fre
quenz f0 oszilliert. Nachdem die IDTs 12, 14 so zueinander
angeordnet sind, erzeugen sie Signale, die eine Phasendif
ferenz von π haben. Folglich haben die Ausgangssignale der
Schaltungen 24 und 26 dieselbe Frequenz f0, wobei jedoch
eine Phasendifferenz von π bezüglich der stehenden Wellen
besteht, die durch die IDTs 12 und 14 aufgenommen werden.
Wenn die Ausgangsspannung der Schaltung 24 durch v0 . sin(ωt)
dargestellt ist, dann wird das Ausgangssignal der Schaltung
26 v0 . sin(-ωt) sein, da die IDTs 12 und 14 die Phasendiffe
renz von π aufweisen. Die Signale, die von den Schaltungen
24 und 26 ausgegeben werden, werden an einen Operator 28 ge
sendet.
Der Operator 28 ist zum Beispiel durch einen Mischer oder
ähnliches gebildet und multipliziert die Signale v0 . sin(ωt)
und v0 . sin(-ωt) der Schaltungen 24 und 26 und erzeugt ein
Signal mit einer Frequenz 2f0, was das doppelte der Frequenz
f0 des Signals des SAW-Resonators 2 ist. Mit anderen Worten
wird in dem Operator 28 die folgende Operation ausgeführt:
|v0 . sin(ωt) × v0 . sin(-ωt)|
= v0 2 . sin2(ωt)
= v0 2 . (1 - cos(2ωt))/2
= v0 2 . sin2(ωt)
= v0 2 . (1 - cos(2ωt))/2
Folglich erzeugt der Operator 28 ein Signal, das lediglich
die Frequenz 2f0 hat.
Nachdem der Operator 28 die Multiplikation alleine durch
führt, wird dies niemals höhere Harmonische zur Folge haben.
Der Operator 28 kann ein Ausgangssignal mit der Frequenz 2f0
mit geringer Störstrahlung erzielen. Überdies können dank
dem SAW-Resonator 2 und den Schaltungen 24 und 26 das nied
rige Phasenrauschen und das niedrige Stoßrauschen bei
höheren Frequenzen wirksam umgesetzt werden. Es ist eben
falls leicht, die Oszillationsfrequenz oder ähnliches auszu
gleichen, da die gleichen Schaltungen für die Schaltungen 24
und 26 verwendet werden. Weiterhin genügt ein
Oberflächenwellenresonator, der lediglich für die Verwendung
bei der Frequenz f0 vorgesehen ist, sowie Transistoren der
Schaltungen 24 und 26 mit der Grenzfrequenz f0. Das heißt,
ein teueres Bauteil zur Anwendung für die Frequenz 2f0 ist
nicht notwendig. Deshalb ist der SAW-Oszillator des ersten
Ausführungsbeispiels mit geringen Kosten herstellbar.
Bezugnehmend auf Fig. 2 ist ein Schaltungsdiagramm eines di
elektrischen SAW-Oszillators eines zweiten Ausführungsbei
spiels der vorliegenden Erfindung gezeigt, in dem die Bau
teile, die denen in Fig. 1 entsprechen, mit denselben Be
zugszeichen bezeichnet sind.
Der dielektrische SAW-Oszillator gemäß dem zweiten Ausfüh
rungsbeispiel gibt ein Signal mit einer Frequenz aus, die
drei-mal der ursprünglichen Frequenz des Signals des SAW-
Resonators 30 entspricht.
Der SAW-Resonator 30 des dielektrischen SAW-Oszillators hat
drei IDTs 12, 14 und 32 auf einem piezoelektrischen Substrat
4. Der IDT 14 ist zwischen den IDTs 12 und 32 angeordnet.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sind die IDTs 12 und
14 beabstandet, um Signale zu empfangen, die eine Phasen
differenz von 2π/3 haben. Mit anderen Worten sind die IDTs
12 und 14 bezüglich der Wellenlänge wie folgt beabstandet:
1/3λ0 + M . λ0
wobei M Null oder irgendeine positive ganze Zahl ist. Die
IDTs 14 und 32 sind ebenfalls beabstandet, um Signale zu
empfangen, die eine Phasendifferenz von 2π/3 haben. Folglich
sind die IDTs 14 und 32 bezüglich der Wellenlänge wie folgt
beabstandet:
1/3λ0 + P . λ0
wobei P Null oder jeglicher positiver Wert ist. Bevorzugter
weise ist M = P.
Der IDT 32 hat die Anschlüsse 34 und 36. Der Anschluß 34
liegt auf Masse. Der Anschluß 36 ist mit einer Schaltung 40
verbunden. Der IDT 32 und die Schaltung 40 bilden eine Col
pitts-Oszillatorschaltung, die mit der Frequenz f0 oszil
liert.
Alle Ausgangssignale der Schaltungen 24, 26 und 40 haben die
gleiche Frequenz f0. Nachdem die IDTs 12, 14 und 32 ange
ordnet sind, um die Phasendifferenz von jeweils 2π/3 anzu
nehmen, zeigen die Ausgangssignale die Phasendifferenz von
2π/3. Wenn die Ausgangsspannung der Schaltung 26 v0 . sin(ωt)
ist, dann ist die Ausgangsspannung der Schaltung 24
v0 . sin(ωt - 2π/3) und die der Schaltung 40 v0 . sin(ωt + 2π/3).
Die Signale, die von den Schaltungen 24, 26 und 40 erzeugt
werden, werden an einen Operator 42 abgegeben.
Der Operator besteht zum Beispiel aus Mischern oder ähnli
chem, ähnlich dem Operator 28. Signale der Schaltungen 24,
26 und 40 werden in dem Operator 42 multipliziert, wodurch
ein Signal mit einer Frequenz 3f0, was drei-mal der vorbe
stimmten Frequenz f0 entspricht, erzeugt wird. Mit anderen
Worten führt der Operator 42 die folgende Operation aus:
v0 . sin(ωt - 2π/3) × v0 . sinωt × v0 . sin(ωt + 2π/3)
= v0 3 . {(sin(ωt) . cos2π/3) - (cos(ωt) . sin2π/3)} × sin(ωt) × {(sin(ωt) . cos2π/3) + (cos(ωt) . sin2π/3)}
= v0 3 . (1/4sin2(ωt) - 3/4cos2(ωt)) . sin(ωt)
= v0 3 . (1/4sin3(ωt) - 3/4sin(ωt) . cos2(ωt))
= v0 3 . {1/4sin3(ωt) - 3/4sin(ωt) . (1 - sin2(ωt))}
= v0 3 . (1/4sin3(ωt) - 3/4sin(ωt) + 3/4sin3(ωt))
= v0 3 . 1/4(4sin3(ωt) - 3sin(ωt))
= v0 3 . {(sin(ωt) . cos2π/3) - (cos(ωt) . sin2π/3)} × sin(ωt) × {(sin(ωt) . cos2π/3) + (cos(ωt) . sin2π/3)}
= v0 3 . (1/4sin2(ωt) - 3/4cos2(ωt)) . sin(ωt)
= v0 3 . (1/4sin3(ωt) - 3/4sin(ωt) . cos2(ωt))
= v0 3 . {1/4sin3(ωt) - 3/4sin(ωt) . (1 - sin2(ωt))}
= v0 3 . (1/4sin3(ωt) - 3/4sin(ωt) + 3/4sin3(ωt))
= v0 3 . 1/4(4sin3(ωt) - 3sin(ωt))
nachdem sin3(ωt) = 1/4(3sin(ωt) - sin3(ωt)), kann das obige
Ergebnis wie folgt dargestellt werden:
|v0 3 . 1/4(4sin3(ωt) - 3sin(ωt))|
= |v0 3 . 1/4(3sin(ωt) - sin(3ωt) - 3sin(ωt))|
= 1/4 . v0 3sin(3ωt)
= |v0 3 . 1/4(3sin(ωt) - sin(3ωt) - 3sin(ωt))|
= 1/4 . v0 3sin(3ωt)
Entsprechend gibt der Operator 42 ein Signal mit einer Fre
quenz 3f0 aus, die drei-mal der Frequenz f0 entspricht.
Der Operator 42 führt lediglich Multiplikationen aus, wobei
folglich keine höheren Harmonischen erzeugt werden. Es ist
folglich möglich, Ausgangssignale mit der Frequenz 3f0 mit
geringer Störstrahlung durch den Operator 42 zu erhalten.
Überdies sind Bauteile, die für die Frequenz f0 vorgesehen
sind, sowohl für den SAW-Resonator 30 als auch für die Tran
sistoren der Schaltungen 24, 26, 40 ausreichend, und teuere
Bauteile für die Frequenz 3f0 sind nicht notwendig. Deshalb
kann der SAW-Oszillator als eine preisgünstige Anordnung ge
bildet werden.
Die vorangegangenen Ausführungsbeispiele, die in Fig. 1 und
2 gezeigt sind, sind angepaßt, um Signale mit einer Fre
quenz, die zwei-mal und drei-mal der ursprünglichen Frequenz
entspricht, zu erhalten. Es ist jedoch ebenfalls möglich,
ein Signal mit der Frequenz, die N-mal der ursprünglichen
Frequenz entspricht, durch Anordnen von N IDTs (N: eine po
sitive ganze Zahl nicht kleiner als 4) mit jeweils 2π/N
Phasendifferenz in dem SAW-Resonator zu erhalten, und die
Signale mit einer vorbestimmten Frequenz, die jeweils 2π/N
Phasendifferenz hat, zu multiplizieren.
Obwohl die Colpitts-Oszillatorschaltung durch die IDTs 12,
14, 32 und die Schaltungen 24, 26, 40 gebildet ist, um die
Oszillation zu erreichen, kann ein Pierce-Modell-Oszillator
oder ein Hartley-Oszillator verwendet werden.
Wie im Vorangegangenen beschrieben ist, ist der SAW-Oszil
lator gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem SAW-Resona
tor, der N Interdigitalwandler hat, die derart auf dem pie
zoelektrischen Substrat angeordnet sind, daß jeweils eine
2π/N Phasendifferenz bezüglich eines Signals mit einer vor
bestimmten Frequenz erzeugt wird, einem Oszillator, der mit
der vorbestimmten Frequenz schwingt, die jeweils eine 2π/N
Phasendifferenz im Zusammenhang mit jedem der Interdigital
wandler hat, und einem Operator, der N Signale mit vorbe
stimmter Frequenz, die jeweils eine 2π/N Phasendifferenz ha
ben, die durch den Oszillator ausgegeben werden, multipli
ziert, um dadurch ein Signal mit der Frequenz, die N-mal der
vorbestimmten Frequenz entspricht, zu erzeugen, versehen.
Bei dem oben beschriebenen Aufbau des SAW-Oszillators können
Hochfrequenz-Signale mit geringer Störstrahlung bei geringen
Kosten ohne die Verwendung teuerer Bauteile, wie zum Bei
spiel Bandpaßfilter, etc., erhalten werden.
Claims (5)
1. Akustischer Oberflächenwellenoszillator mit:
wobei die N Oszillatoren die N Oszillationssignale mit derselben vorbestimmten Frequenz f0 mit einer Phasen differenz von jeweils 2π/N zueinander erzeugen; und
wobei die Operatoreinrichtung (28, 42) die N Oszilla tionssignale multipliziert, zum Erzeugen eines Signals, das eine Frequenz hat, die N-mal der vorbestimmten Fre quenz entspricht.
- 1. einem akustischen Oberflächenwellenresonator (2, 30),
der folgende Merkmale aufweist:
- 1. ein piezoelektrisches Substrat (4);
- 2. Gitterreflektoren (8, 10), die auf dem piezoelek trischen Substrat (4) gebildet sind; und
- 3. N Interdigitalwandler (12, 14, 32), die auf dem piezoelektrischen Substrat (4) angeordnet sind;
- 1. N Oszillatoren (24, 26, 40), die mit den N Interdigi talwandlern (12, 14, 32) verbunden sind, zum Erzeugen von N Oszillationssignalen; und
- 2. eine Operatoreinrichtung (28, 42) zum Multiplizieren der N Oszillationssignale;
wobei die N Oszillatoren die N Oszillationssignale mit derselben vorbestimmten Frequenz f0 mit einer Phasen differenz von jeweils 2π/N zueinander erzeugen; und
wobei die Operatoreinrichtung (28, 42) die N Oszilla tionssignale multipliziert, zum Erzeugen eines Signals, das eine Frequenz hat, die N-mal der vorbestimmten Fre quenz entspricht.
2. Akustischer Oberflächenwellenoszillator nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet,
daß die N Interdigitalwandler (12, 14, 32) mit folgen dem Abstand angeordnet sind:
1/2λ0 + Mλ0
wobei M Null oder jegliche positive ganze Zahl ist, und λ0 eine Wellenlänge der SAW-Signale ist.
daß die N Interdigitalwandler (12, 14, 32) mit folgen dem Abstand angeordnet sind:
1/2λ0 + Mλ0
wobei M Null oder jegliche positive ganze Zahl ist, und λ0 eine Wellenlänge der SAW-Signale ist.
3. Akustischer Oberflächenwellenoszillator nach Anspruch 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß N zwei ist.
4. Akustischer Oberflächenwellenoszillator nach Anspruch 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß N drei ist.
5. Akustischer Oberflächenwellenoszillator nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder der N Oszillatoren ein Colpitts-Oszillator
ist.
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