WIDE RANGE VOLTAGE-CONTROLLED CRYSTAL OSCILLATOR

Abstract: 1. A frequency-controllable quartz crystal oscillator in the form of a three-terminal network utilising combined capacitive-inductive pulling, comprising a first series circuit combination of a varactor diode (D), a first inductance (L1), and a quartz crystal (Q), which combination is connected in parallel with a second series circuit combination consisting of two capacitors (C1, C2) a first one of which is bridget by a first resistor (R1), a first connection point of the two series circuit combinations being connected to the base electrode of a first transistor (T1) whose emitter electrode is directly connected via a fifth resistor (R5) to a first operating voltage supply terminal (-U) and to the junction of the two capacitors (C1, C2) via a feedback arrangement, the other connection point of the two series circuit combinations being connected to a second operating voltage supply terminal, the collector electrode of the first transistor (T1) being connected to an output terminal (A) and via a fourth resistor (R4) to the second operating voltage supply terminal, and the varactor diode (D) being connected to a control voltage, characterized in that, the quartz crystal (Q) consists of a fundamental crystal, that the first series circuit combination contains a third resistor (R3) connected between the quartz crystal (Q) and the transistor end connection point of the two series circuit combinations, that the emitter electrode of the first transistor (T1) is connected via a diode (T2) to the junction point of the two capacitors (C1, C2), that the second capacitor (C2) is bridged by a second resistor (R2), that the first terminal of the varactor diode (D) is the terminal of the first series circuit combination connected to the second reference voltage supply source, and that the other terminal of the varactor diode (D) is connected via the first inductance (L1) to the quartz crystal (Q) via a sixth resistor (R6) to the control voltage supply (E).

Description: Frequenz steuerbarer Quarzoszillator mit grossem Ziehbereich Die Erfindung betrifft einen frequenz steuerbaren Quarzoszillator in Dreipunktscbaltung mit kombiniertem kapazitiv-induktivem Ziehen. Ein frequenz steuerbarer Quarzoszillator mit grossem Ziehbereich ist bereits in der älteren Patentanmeldung P 28 t8 374.6 (vPA 78 P 6602) beschrieben. Weiterhin sind derartige Quarzoszillatoren. aus der "Funkschau", 1971, Heft 15, S. 465 und 466 bekannt, wobei dort zur Erzielung höherer Frequenzen Obertonquarze verwendet werden. Zur Frequenzsteuerung derartiger Quarzoszillatoren werden in der Regel Varaktordioden verwendet, deren Kapazität in Abhängigkeit von der angelegten Spannung veränderbar ist. Die Varaktordiode ist zu diesem Zweck in Reihe mit dem zu ziehenden Quarz geschaltet, wobei auf die Beibehaltung eines Gleichstromweges zu achten ist. Im Hinblick auf die Verwendung von derartigen Oszillatoren in Phasenregelschleifen wird neben einer guten Frequenzziehbarkeit insbesondere gewünscht, dass die von diesen Oszillatoren abgegebene Schwingung nur eine sehr geringe Amplitudenmodulation bei Wechselspannungsaussteuerung der Varaktordiode aufweist. Voraussetzung dafür ist eine gute symmetrische Begrenzerwirkung in diesen Oszillatoren. Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, einen Quarzoszillator der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der im Frequenzbereich bis ca. 20 MHz einen grossen Frequenzhub ermöglicht, definierte Begrenzungseigenschaf ten aufweist und ein rechteckförmiges Ausgangssignal abgibt. Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Dreipunktschaltung#eine erste Reihenschaltung aus einer Varaktordiode, einer ersten Induktivität, einem Quarz und einem Dämpfungswiderstand enthält, zu der eine zweite Reihenschaltung aus zwei durch Widerstände über brücke Kondensatoren parallelgeschaltet ist, dass mit dem Verbindungspunkt zwischen Dämpfungswiderstand und zweiter Reihenschaltung der Basisanschluss eines ersten Transistors verbunden ist, dessen Emitteranschluss über eine zu dessen Emitterdiode entgegengesetzt gepolte Diode an den Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren und ausserdem über einen fünften Widerstand an den ersten Betriebsspannungsanschluss angeschlossen ist, dass der Kollektoranschluss des ersten Transistors direkt mit dem Ausgangsanschluss und über einen vierten Widerstand mit dem zweiten Betriebsspannungsanschluss verbunden ist, an dem auch der Verbindungspunkt zwischen Varaktordiode und zweiter Serienschaltung gefUhrt ist und dass die Steuerspannungszuführung an den Verbindungspunkt zwischen Quarz und erster Induktivität angeschlossen ist. Bei dieser Oszillatoranordnung ergibt sich ein vorteilhaft geringer Stromverbrauch. Zweckmässige Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Quarzoszillators sind den Patentansprüchen 2 bis 6 zu entnehmen. Grundtonquarze für den ins Auge gefassten Frequenzbereich oberhalb von 25 MHz sind aus technologischen Gründen nur schwer herstellbar. Es kann deshalb zweckmässig sein, die Verwendung eines Grundtonquarzes mit der Verwendung eines Frequenzverdopplers, der dann ebenfalls gute symmetrische Begrenzungseigenschaften aufweisen muss, zu koppeln. Derartige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 6 und 7 beschrieben. Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung naher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 die Schaltung einer Schwingstufe und Fig. 2 die Schaltung der Schwingstufe mit nachge schaltetem Frequenzverdoppler. In der Fig. 1 wird der Resonanzkreis durch die Varaktordiode D, die einstellbare Induktivität L, dem Quarz Q, dem Dämpfungswiderstand R3 und den beiden Kondensatoren Cl, C2 in der Ar#t einer Dreipunktschaltung gebildet. Mit dem Resonanzkreis ist eine Stromspiegelschaltung aus-den beiden pn-Transistoren T1 und T2 verbunden. Der Transistor T2 ist dabei in bekannter Weise als Diode geschaltet, dadurch steuert die am Kondensator C2 auftretende Schwingspannung über dessen Emitteranschluss den Transistor T1. Im Kleinsignalbetrieb wird dabei durch die zur Emitterdiode des Transistors T1 entgegengesetzt gepolte Emitterdiode des Transistors T2 die Steilheit des Transistors T1 halbiert. Unmittelbar nach dem Einschalten, also vor dem Anschwingen des Quarzes, fliesst der durch den fünften Widerstand R5 eingeprägte Strom zunächst zu gleichen-Teilen durch die Transistoren T1 und T2. Im eingeschwungenen Betrieb ist die Wechselspannungsamplitude am zweiten Kondensator C3 erheblich grösser als der Aussteuerungsbereich der durch die beiden Transistoren gebildeten Antiserienschaltung, dadurch werden beiden Transistoren annähernd rechteckförmig und symmetrisch umgeschaltet. Die symmetrische Begrenzungseigenschaft äussert sich dabei im Fehlen von amplitudenmodulierten Seitenbändern im erzeugten Signal beim Betrieb des Oszillators mit Wechselspannung an der Kapazitätsdiode, also bei einer Frequenzmodulation. Dies ist bei der Verwendung in Phasenregelschleifen im Hinblick auf die hohen zu verarbeitenden Frequenzhübe zu beachten. Das erzeugte Signal kann an dem mit dem Kollektoranschluss des ersten Transistors T1 verbundenen Ausgangsanschluss abgenommen werden. Die Amplitude des Quarzstromes und damit die Amplitude des Ausgangssignals wird dabei durch den Kapazitätswert der beiden Kondensatoren und durch den Widerstandswert des gemeinsamen Emitterwiderstandes R5 beeinflusst. Die Amplitude des Quarzstromes wird weiterhin durch den Dämpfungswiderstand R3 mitbestimmt. Dieser Widerstand entspricht etwa dem in der Schaltung maximal möglichen Quarzresonanzwiderstand. Damit kann verhindert werden, dass bei Quarzen sehr hoher Güte und entsprechend sehr kleinem Quarzresonanzwiderstand die Kapazitätsdiode übersteuert wird. Im Hinblick auf die leichte Ziehbarkeit wurde im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Quarz ein Grundtonquarz gewählt. Um dennoch eine Schwingung mit einer Frequenz von etwa 26 MHz erzeugen zu können, wurde ein Frequenzver- doppler nachgeschaltet, der die an den Oszillator gestellten Anforderungen hinsichtlich-des Wegfalls von amplitudenmodulierten Seitenbändern und hinsichtlich des geringen Stromverbrauchs erfüllt. Die dadurch entstandene Anordnung ist in der Fig. 2 dargestellt. Die in der Fig. 2 enthaltene Schwingschaltung entspricht der nach der Fig. 1, vom Kollektoranschluss des ersten Transistors dieser Schwingschaltung wird über einen dritten Kondensator C3 die symmetrisch begrenzte rechteckförmige Ausgangsspannung abgenommen und einem auf die Schwingfrequenz abgestimmten zweiten Schwingkreis zugeführt. Der zweite Schwingkreis enthält eine zweite Induktivität L2, deren einer Anschluss mit dem dritten Kondensator C3 verbunden ist, und deren anderer Anschluss an den siebenten Widerstand R7 angeschlossen ist. Ausserdem sind beide Anschlüsse über gleich grosse Kondensatoren C4, C5 mit Masse verbunden. An den beiden Anschlüssen der Induktivität werden zwei zueinander um 1800 gedrehte Spannungen entnommen, die Jeweils getrennt den beiden Steuereingängen eines emittergekoppelten Differenzverstärkers zugeführt werden, der durch den vierten und den fünften npn-Transistors T4, T5 und den gemeinsamen Emitterwiderstand R9 gebildet ist. Die Vorspannungserzeugung für diesen Differenzverstärker erfolgt mittels eines Spannungsteilers aus dem achten Widerstand R8 und dem als Diode geschalteten dritten npn-Transistor T3, der Mittelanschluss dieses Spannungsteilers ist an den anderen Anschluss des siebenten Widerstandes R7 g.eführt. Da die beiden Kollektoranschlüsse des vierten und des fünften Transistors des emittergekoppelten Differenzverstärkers miteinander verbunden sind, ergibt sich am Verbindungspunkt eine Schwingung mit der gegenüber der Ausgangsfrequenz doppelten Frequenz, die vom Verbindungspunkt der beiden Kollektoranschlüsse einem dritten, auf diese Frequenz abgestimmten Schwingkreis zugeEUhrt wird. Dieser Schwingkreis besteht aus dem sechsten Kondensator C6 und der dritten Induktivität L3, ausserdem ist dieser Parallelschwingkreis durch den parallelgeschalteten zehnten Widerstand RIO bedämpft. Am Verbindungspunkt des dritten Schwingkreises mit dem Differenzverstärker ist der Ausgangsanschluss A der Anordnung angeschaltet. 8 Patentansprüche 2 Figuren

Claims: Patentanstrüc#e -, - 1. Frequenzsteuerbarer Quarzoszillator in Dreipunktschaltung mit kombiniertem kapazitiv-induktivem Ziehen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Dreipunktschaltung eine erste Reihenschaltung aus einer Varaktordiode (D), einer ersten Induktivität (L), einem Quarz (Q) und einem Dämpfungswiderstand (R3) enthält, zu der eine zweite Reihenschaltung aus zwei durch Widerstände (R1, R2) überbrückte Kondensatoren (C1, C2) parallelgeschaltet ist, dass mit dem Verbindungspunkte zwischen Dämpfungswiderstand (R3) und zweiter Reihenschaltung der Basisanschluss eines ersten Transistors (T7) verbunden ist, dessen Emitteranschluss über eine zu dessen Emitterdiode entgegengesetzt gepolte Diode (T2) an den Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren und ausserdem über einen fünften Widerstand (R5) an den ersten Eetri ebs so annungsznschluss angesch#'ossen ist, dass der Kollektoranscluss des ersten Transistors direkt mit dem Ausgangsanschluss (A) und über einen vierten Widerstand (R4) mit dem zweiten Betriebsspannungsanschluss verbunden ist, an dem auch der Verbindungspunkt zwischen Varaktordiode und zweiter Serienschaltung geführt ist und dass die Steuerspannungszuführung an den Verbindiings- punkt zwischen Quarz (Q) und erster Induktivität (L) angeschlossen ist. 2. Frequenzsteuerbarer Quarzoszillator nach Patentanspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass als erster Transistor (T1) und als Diode jeweils ein npn-Transistor vorgesehen ist, dass diese Transistoren nach Art einer Stromspiegelschaltung miteinander verbunden sind und dass an den ersten Betriebsspannungsanschluss die negative und an den zweiten Betriebsspannungs- anschluss die positive Betriebsspannung angeschlossen sind. 3. Frequenzsteuerbarer Quarzoszillator nach Patentanspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es sich bei den Transistoren um gepaarte Einzeltransistoren handelt. 4. Frequenzsteuerbarer Quarzoszillator nach Patentanspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die beiden Transistoren in einem mono lithischen Transistorarray. enthalten sind. 5. Frequenzsteuerbarer Quarzoszillator nach Patentanspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Wert des Dämpfungswiderstandes (R3) etwa dem in der Schaltung maximal möglichen Resonanz- widerstand des Quarzes entspricht. 6. Frequenzsteuerbarer Quarzoszillator nach Patentanspruch 1 oder 5, d d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es sich bei dem Quarz um einen Grundtonquarz handelt. 7. Transistoroszillator nach Patentansprüchen 1 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass an den Kollektoranschluss des ersten Transistors (T1) ein auf die Schwingfrequenz abgestimmter LC-Schwingkreis angeschlossen ist, dem zwei zueinander um 1800 gedrehte Spannungen entnommen und Jeweils getrennt den beiden Steuereingängen eines emittergekoppelten Differenzverstärkers (T4, T5) zugeführt werden und dass die beiden Ausgangsanschlüsse des Differenzverstärkers miteinander und über einem auf die doppelte Schwingfrequenz abgestimmten LC-Schwingkreis mit dem Signal ausgang verbunden sind. 8. Transistoroszillator nach Patentanspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der auf die Schwingfrequenz abgestimmte LC-Schwingkreis eine zweite Induktivität (L2) enthält, deren erster Anschluss über einen dritten Kondensator (C3) dem Kollek toranschluss des ersten Transistors, mit dem einen Steuereingang des emittergekoppelten Differenzverstärkers und über einen vierten Kondensator (C4) mit Masse verbunden ist, dass der zweite Anschluss der Induktivität über einen fünften Kondensator mit Masse, mit dem anderen Steuereingang des emittergekoppelten Differenzverstärkers und über einen siebenten Widerstand (R7) mit einer Vorspannungsquelle verbunden ist, die durch einen Widerstand in Reihe zu einem als Diode geschalteten Transistor (T3) gebildet ist.

Inventors: KAHN, KLAUS-DIETER, DIPL.-ING., THANHAUSER, GERHARD, DIPL.-ING., Thanhäuser, Gerhard, Dipl.-Ing.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1980
Main classification: H03B5
IPC codes: H03C3, H03B1, H03B5, H03B19