DE19611610A1 - Oszillaotr - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator mit einem (ersten) Verstärkungselement, das einen Steueranschluß und einen in einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluß mündenden Hauptstrompfad aufweist, mit einem Netzwerk, über das der erste Ausgangsanschluß des (ersten) Verstärkungselements auf den Steueranschluß des (ersten) Verstärkungselements durch ein in Reihe angeordnetes, piezoelektrisches Schwingelement rückgekoppelt ist, sowie mit einem an den ersten Ausgangsanschluß des (ersten) Verstärkungselements gekoppelten (ersten) Ausgangszweipol und einem an den zweiten Ausgangsanschluß des (ersten) Verstärkungselements gekoppelten gleichstrombestimmenden Element.

Aus der Monographie "Oscillator Design Handbook" von Gary A. Breed, erschienen 1990 bei Cardiff Publishing Company, insbesondere Seiten 55 bis 60, sind Kristalloszillatoren verschiedener Typen bekannt. Ein sogenannter "Pierce-Os­ zillator" weist in seiner einfachsten Ausgestaltung einen npn-Transistor als Verstärkungselement auf, dessen Kollektor und Basis über einen Kristall(schwingquarz) miteinander gekoppelt sind. Der Kollektor ist ferner über eine Induktivität mit einem positiven Versorgungsspannungsanschluß verbunden und stellt den Ausgang des "Pierce-Oszillators" dar. Ferner sind der Kollektor des Transistors über eine erste Kapazität, die abstimmbar ausgeführt sein kann, die Basis über eine zweite Kapazität und der Emitter des Transistors über die Parallelschaltung eines Emitterwiderstands mit einer sehr großen Kapazität mit Masse verbunden. Die Basis ist ferner über einen Vorwiderstand mit dem positiven Versorgungsspannungsanschluß verbunden. In einer Abwandlung kann an die Stelle der Induktivität am Kollektor ein Parallelschwingkreis mit einer Induktivität und einer - abstimmbar ausführbaren - Kapazität treten. Dieser Parallelschwingkreis ist auf die Schwingfrequenz des Kristalls abzustimmen.

Zwar ist dieser "Pierce-Oszillator" von allen im "Oscillator Design Handbook" erwähnten Kristalloszillatoren als derjenige mit der besten Frequenzstabilität bezeichnet, für eine miniaturisierte Integration auf einem Halbleiterkörper ist jedoch die sehr große Kapazität im Emitterkreis, d. h. zwischen Emitter und Masse, äußerst störend, da sie eine unverhältnismäßig große Fläche auf dem Halbleiterkörper beansprucht. Dies stellt ein großes Konstruktionshindernis insbesondere für kleine, leichte elektronische Geräte wie z. B. Funkrufempfänger (Pager) dar.

Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Oszillator, insbesondere einen sogenannten "Pierce-Oszillator" der vorstehend beschriebenen Bauform, in der Weise auszubilden, daß die beschriebene sehr große Kapazität entbehrlich wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Oszillator nach dem Gattungsbegriff gelöst durch ein zweites Verstärkungselement mit einem in einen (zweiten) Ausgangsanschluß mündenden Hauptstrompfad, wobei der (zweite) Ausgangsanschluß des zweiten Verstärkungselements mit dem zweiten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements gekoppelt ist.

Gegenüber dem "Pierce-Oszillator" nach dem Stand der Technik ist beim erfindungsgemäßen Oszillator die sehr große Kapazität, die für die Schwingfrequenz des Oszillators einen Kurzschluß nach Masse bilden soll, durch die Impedanz des (zweiten) Ausgangsanschlusses des zweiten Verstärkungselements ersetzt worden. Diese kann durch einfache schaltungstechnische Maßnahmen für die Schwingfrequenz des Oszillators niederohmig eingestellt werden, so daß mit der erfindungsgemäßen Ausbildung des Oszillators ebenfalls wenigstens nahezu ein Hochfrequenz-Kurzschluß am zweiten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements erzielt wird. Durch diesen Hochfrequenz-Kurzschluß wird das mit dem zweiten Ausgangsanschluß verbundene gleichstrombestimmende Element, welches für die Schwingfrequenz des Oszillators hochohmig ist, umgangen. Als gleichstrombestimmendes Element ist beim Stand der Technik der Emitterwiderstand eingefügt; an dessen Stelle kann jedoch auch eine Stromquellenschaltung treten. Über das gleichstrombestimmende Element wird beim erfindungsgemäßen Oszillator die Reihenschaltung aus dem ersten Ausgangszweipol, dem ersten Verstärkungselement und dem gleichstrombestimmenden Element aus einer Versorgungsspannungsquelle ermöglicht.

Die Verstärkungselemente können bevorzugt identisch ausgeführt werden, so daß sich eine balancierte Anordnung der Verstärkungselemente (Gegentaktverstärker) ergibt. Mit einer solchen Anordnung können die durch die Schwingung des Oszillators fließenden, hochfrequenten Ströme, die beim "Pierce-Oszillator" nach dem Stand der Technik über die Versorgungsspannungsquelle fließen, von dieser in sehr hohem Maße abgehalten werden. Dadurch, daß bei dieser Gegentaktanordnung der Verstärkungselemente des erfindungsgemäßen Oszillators die hochfrequenten Ströme nicht mehr durch die Versorgungsspannungsquelle fließen, werden Einstreuungen der Oszillatorschwingung in andere Schaltungsteile, mit denen der Oszillator eine gemeinsame Versorgungsspannungsquelle haben kann, vermieden. Die Störfestigkeit derartiger Anordnungen wird dadurch entscheidend verbessert.

Bei üblicher Dimensionierung wird am (zweiten) Ausgangsanschluß des zweiten Verstärkungselements eine etwas höhere Impedanz für die hochfrequenten Ströme erhalten, als dies mit einer sehr großen Kapazität möglich ist. Diese erhöhte Impedanz verringert gegenüber dem "Pierce-Oszillator" gemäß dem Stand der Technik die Schleifenverstärkung des Oszillators, so daß sich beim Ersatz der sehr großen Kapazität durch das zweite Verstärkungselement ein verzögertes Einschwingverhalten ergeben kann, d. h. die Zeitspanne zwischen dem Beaufschlagen des Oszillators mit Energie aus der Versorgungsspannungsquelle und dem Erreichen des eingeschwungenen Zustands des Oszillators kann sich verlängern. Zwar wird die Schleifenverstärkung des Oszillators auch durch die Güte, d. h. das Verhältnis zwischen dem ohmschen Anteil und dem Reaktanzanteil, des (ersten) Ausgangszweipols beeinflußt, beispielsweise durch die Güte der mit dem Kollektor des Transistors verbundenen Induktivität gemäß dem Stand der Technik. Diese Güte ist jedoch zum Ausgleich einer verringerten Schleifenverstärkung nicht in jedem Einsatzfall beliebig wählbar. Dagegen besteht die Möglichkeit, den durch das gleichstrombestimmende Element fließenden Gleichstrom zu erhöhen, um die Verringerung der Schleifenverstärkung auszugleichen. Durch diese Maßnahme werden jedoch die Versorgungsspannungsquelle und ein wesentlicher Teil des Oszillators stärker belastet.

Für die erwähnten elektronischen Geräte, insbesondere Funkrufempfänger (Pager), Mobiltelefone und dgl., werden jedoch Oszillatoren gefordert, die neben einer hohen Frequenzstabilität auch noch eine sehr kurze Einschwingzeit (Zeitspanne zwischen dem Zuführen der Energie aus der Versorgungsspannungsquelle und dem Erreichen eines eingeschwungenen Zustands des Oszillators) und einen geringen Stromverbrauch aufweisen müssen. So wird beispielsweise ein Funkrufempfänger in bestimmten Zyklen ein- und ausgeschaltet, um Strom aus der Versorgungsspannungsquelle, insbesondere einer Batterie, zu sparen. Nach dem Einschalten muß der Funkrufempfänger innerhalb weniger Millisekunden empfangsbereit sein. Diese Zeitspanne wird wesentlich durch das Einschwingen des Oszillators bestimmt. Einerseits verringert sich der Stromverbrauch durch ein Verringern der Einschaltzeit, andererseits wird die Empfangsbereitschaft des Funkrufempfängers verbessert. Außerdem soll der Oszillator nicht nur während der Einschwingzeit, sondern auch im darauf folgenden Betrieb einen geringen Stromverbrauch aufweisen, um die Versorgungsspannungsquelle möglichst gering zu belasten. Diese Versorgungsspannungsquelle, beispielsweise eine Batterie, kann dann klein und leicht dimensioniert werden, wodurch eine erhebliche Verkleinerung der Bauform und Verringerung des Gewichts eines solchen Funkrufempfängers (oder sonstigen batteriebetriebenen elektronischen Gerätes) ermöglicht wird.

Bei einem für diese elektronischen Geräte einzusetzenden Oszillator ist daher eine sehr kurze Einschwingzeit und ein geringer Stromverbrauch anzustreben. Dies wird gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Oszillators dadurch erreicht, daß ein Steueranschluß des zweiten Verstärkerelements mit dem ersten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkerelements gekoppelt ist.

Bei dieser Fortbildung der Erfindung wird der Steueranschluß des zweiten Verstärkungselementes in die Rückkopplung des Oszillators (vom ersten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements auf den Steueranschluß des ersten Verstärkungselements) einbezogen. Diese Rückkopplung wirkt als Mitkopplung, durch die bei unverändertem Gleichstrom im gleichstrombestimmenden Element die Schleifenverstärkung des Oszillators erhöht und damit auch die Amplitude der Oszillatorschwingung vergrößert wird. Wird der Effekt der Impedanz des (zweiten) Ausgangsanschlusses des zweiten Verstärkungselements wird dadurch kompensiert, ohne Versorgungsspannungsquelle und Oszillator stärker zu belasten.

An dieser Stelle sei bemerkt, daß aus "Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, 8. Auflage Springer-Verlag, 1986, emittergekoppelte Oszillatoren mit zwei npn-Transistoren bekannt sind. Dabei ist der Kollektor eines der Transistoren mit der Basis des anderen Transistors unmittelbar gekoppelt und mit einem LC-Sperrkreis gegen ein Bezugspotential geführt. Bei dieser Schaltung ist ein Schwingquarz nicht vorgesehen. Ein emittergekoppelter Oszillator mit Quarz-Stabilisierung enthält eine Kopplung vom Kollektor des einen Transistors über eine zusätzliche Verstärkerstufe und den Schwingquarz an die Basis des anderen Transistors, mit der auch der LC-Sperrkreis verbunden ist. Keine dieser Anordnungen entspricht dem erfindungsgemäßen Oszillator und weist demzufolge auch nicht dessen Vorteile auf.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Oszillators ist ein erster Ausgangsanschluß des zweiten Verstärkungselements, in den der Hauptstrompfad des zweiten Verstärkungselements anderseitig mündet, mit einem zweiten Ausgangszweipol gekoppelt. Es ergibt sich somit eine Reihenschaltung aus dem Hauptstrompfad des zweiten Verstärkungselements und dem zweiten Ausgangszweipol. Vorteilhaft kann diese Reihenschaltung parallel zur Reihenschaltung aus dem Hauptstrompfad des ersten Verstärkungselements und dem ersten Ausgangszweipol zwischen einem Versorgungsspannungsanschluß und dem gleichstrombestimmenden Element angeordnet sein. Im Vergleich zum "Pierce-Os­ zillator" kann dann beim erfindungsgemäßen Oszillator eine von diesem abzugebende Schwingung auch am zweiten Ausgangszweipol abgegriffen werden.

Dabei kann eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Oszillators dadurch erreicht werden, daß die Impedanzen der Ausgangszweipole eine Resonanzcharakteristik aufweisen. Insbesondere können die Ausgangszweipole als Sperrkreise ausgebildet sein. An den Ausgangszweipolen lassen sich dann Schwingungen mit den Frequenzen abgreifen, auf die die Ausgangszweipole abgestimmt sind.

Beim "Pierce-Oszillator" nach dem Stand der Technik ist zu berücksichtigen, daß der dort als Ausgangszweipol einsetzbare Sperrkreis auf die Schwingfrequenz des piezoelektrischen Schwingelements abgestimmt sein muß. Dies schränkt die Verwendungsmöglichkeit des "Pierce-Oszillators" für Hochfrequenzanwendungen insofern ein, als nur mit zusätzlichem Schaltungsaufwand hochfrequente Schwingungen erzeugt werden können, die aus Vielfachen der Schwingfrequenz des piezoelektrischen Schwingelements ableitbar sind. Um eine Schwingung mit einem Vielfachen der Schwingfrequenz des piezoelektrischen Schwingelements zu erhalten, muß dem "Pierce-Oszillator" gemäß dem Stand der Technik ein Frequenzvervielfacher nachgeschaltet werden. Der damit verbundene Schaltungsaufwand und Stromverbrauch ist für die genannten, leichten elektronischen Geräte unerwünscht.

Die vorstehende Fortbildung des erfindungsgemäßen Oszillators, wonach die Ausgangszweipole als Sperrkreise ausgebildet sind, eröffnet jedoch die Möglichkeit, mit sehr geringem Schaltungsaufwand Schwingungen mit hohen Frequenzen zu erzeugen. Dazu ist der erste Ausgangszweipol auf die Frequenz einer Grundschwingung oder einer Oberschwingung des piezoelektrischen Schwingelements und der zweite Ausgangszweipol auf eine Oberschwingung der Resonanzfrequenz des ersten Ausgangszweipols abgestimmt. Als Grundschwingung des piezoelektrischen Schwingelements ist dabei die Schwingung des unbeschalteten piezoelektrischen Schwingelements bezeichnet.

Mit dieser Ausgestaltung kann aus einem piezoelektrischen Schwingelement mit einer Grundschwingung verhältnismäßig niedriger Frequenz eine Schwingung mit sehr hoher Frequenz in sehr einfacher Weise abgeleitet werden. Dazu wird die Oszillatorschleife, d. h. werden die Bauteile des Oszillators, die in die Rückkopplung vom ersten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements zu dessen Steueranschluß einbezogen sind, auf die erwünschte Schwingfrequenz des piezoelektrischen Schwingelements abgestimmt. Dazu gehören außer dem piezoelektrischen Schwingelement selbst insbesondere auch der erste Ausgangszweipol und das das piezoelektrische Schwingelement enthaltende Netzwerk. Insbesondere ist, wie bereits erwähnt, der erste Ausgangszweipol in seiner Funktion als Sperrkreis auf die Schwingfrequenz des piezoelektrischen Schwingelements abzustimmen, da sonst die Schwingung vom ersten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements über die Versorgungsspannungsquelle kurzgeschlossen und somit die Rückkopplung verschlechtert wird. Das erste Verstärkungselement kann dabei bevorzugt bis in nicht lineare Bereiche seiner Übertragungsfunktion, d. h. der Funktion zwischen den Signalen am Steueranschluß und an den Ausgangsanschlüssen, ausgesteuert werden. Dadurch wird die Erzeugung von Oberschwingungen, d. h. harmonischen der Grundschwingung des unbeschalteten piezoelektrischen Schwingelements, begünstigt.

Der Schaltungszweig mit dem Hauptstrompfad des zweiten Verstärkungselements und dem zweiten Ausgangszweipol ist von dem Kreis mit der Rückkopplung über das erste Verstärkungselement und das Netzwerk entkoppelt. Damit kann der zweite Ausgangszweipol ohne Nachteile für das Betriebsverhalten des Oszillators sowohl auf dieselbe Frequenz wie der erste Ausgangszweipol oder auf eine Harmonische davon abgestimmt werden. Am zweiten Ausgangszweipol kann daher bei entsprechender Abstimmung eine Oberschwingung der Schwingfrequenz des piezoelektrischen Schwingelements und damit des ersten Ausgangszweipols abgegriffen werden. Da der zweite Ausgangszweipol ohne Nachteile für das Betriebsverhalten des Oszillators auch auf die Frequenz der Grundschwingung des piezoelektrischen Schwingelements im unbeschalteten Zustand oder auf die Schwingfrequenz des Oszillators, d. h. die Resonanzfrequenz des ersten Ausgangszweipols, abstimmbar ist, können Schwingungen auch mit diesen Frequenzen am zweiten Ausgangszweipol abgegriffen werden.

Die durch die Verstärkungselemente des erfindungsgemäßen Oszillators gebildete Gegentaktanordnung erzeugt überwiegend, bei identischen Zweigen über die Hauptstrompfade und die Ausgangszweipole ausschließlich ungeradzahlige Harmonische der Schwingfrequenz des piezoelektrischen Schwingelements, d. h. der Schwingfrequenz, auf der das piezoelektrische Schwingelement im Betrieb des Oszillators schwingt. Nur durch Unsymmetrien im Aufbau bzw. in der Dimensionierung entstehen durch die nicht lineare Aussteuerung der Verstärkungselemente auch geradzahlige Harmonische. Soll dagegen eine solche geradzahlige Harmonische erzeugt werden, wird nach einer Fortbildung der Erfindung ein Überbrückungselement zu dem gleichstrombestimmenden Element hochfrequenzmäßig parallel angeordnet. Dieses Überbrückungselement ist für die Schwingung, auf die der zweite Ausgangszweipol abgestimmt ist und die in diesem Fall eine geradzahlige Harmonische darstellt, niederohmig ausgebildet. Vorteilhaft ist dieses Überbrückungselement durch eine Kapazität gebildet, kann jedoch auch als ohmscher Widerstand oder als RC-Glied ausgeführt sein.

In einer Abwandlung der vorgenannten Fortbildung des erfindungsgemäßen Oszillators ist das Überbrückungselement zwischen den zweiten Ausgangsanschlüssen der Verstärkungselemente und den von den Verstärkungselementen abgewandten Polen der Ausgangszweipole angeordnet. Gegenüber einer unmittelbaren Parallelschaltung zum gleichstrombestimmenden Element ergibt sich der Vorteil, daß auch die durch das Überbrückungselement fließenden hochfrequenten Ströme der geradzahligen Harmonischen von der Versorgungsspannungsquelle ferngehalten werden; Der Stromkreis für diese Ströme schließt sich von den Verstärkungselementen und den Ausgangszweipolen unmittelbar ohne Zwischenschaltung der Versorgungsspannungsquelle über das Überbrückungselement. Die Dimensionierung des Überbrückungselements kann dann freizügiger erfolgen, insbesondere auch niederohmiger gewählt werden, ohne dadurch zusätzliche Einstreuungen hochfrequenter Ströme in die Versorgungsspannungsquelle zu erhalten.

Das Netzwerk, mit dem im erfindungsgemäßen Oszillator die Rückkopplung am ersten Verstärkungselement bewerkstelligt wird, umfaßt vorzugsweise zwei kapazitive Zweipole, von denen ein erster einseitig mit dem Steueranschluß und der zweite einseitig mit dem ersten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements gekoppelt ist und die anderseitig an einen vom ersten Verstärkungselement abgewandten Pol des gleichstrombestimmenden Elements geführt sind. Von diesen kapazitiven Zweipolen, die im Grundsatz bereits beim "Pierce-Oszillator" vorhanden sind, ist bevorzugt der zweite kapazitive Zweipol abstimmbar ausgeführt. Wahlweise kann der erste Ausgangszweipol ein kapazitives Element umfassen, welches abstimmbar ausgeführt ist.

Mit der Abstimmung des zweiten kapazitiven Zweipols des Netzwerks bzw. des kapazitiven Elements im ersten Ausgangszweipol ist die Resonanzfrequenz des Ausgangszweipols und damit die Schwingfrequenz des Oszillators abgleichbar. Durch entsprechende Ausbildung des zweiten kapazitiven Zweipols des Netzwerks bzw. des kapazitiven Elements im ersten Ausgangszweipol kann dieser Abgleich bzw. ein "Ziehen" der Schwingfrequenz des Oszillators auch elektronisch über ein Einstellsignal erfolgen.

Ein Vergleich zwischen dem "Pierce-Oszillator" gemäß dem Stand der Technik mit dem erfindungsgemäßen Oszillator zeigt, daß der "Pierce-Oszillator" dann eine maximale Rückkopplung und damit eine größtmögliche Schwingungsamplitude zeigt, wenn die Impedanz des piezoelektrischen Schwingelements minimal wird. Umgekehrt tritt die größte Schwingungsamplitude zwischen den Steueranschlüssen der Verstärkungselemente beim erfindungsgemäßen Oszillator dann auf, wenn die Impedanz des piezoelektrischen Schwingelements ihren größten Wert annimmt, wo hingegen diese die Steueranschlüsse der Verstärkungselemente gegeneinander kurzschließt, wenn sie minimal wird. Das bedeutet, daß beim Einsatz eines Schwingquarzes als piezoelektrisches Schwingelement der "Pierce-Oszillator" bei der Serienresonanz des Schwingkreises schwingt, wo hingegen der erfindungsgemäße Oszillator bei der Parallelresonanz des Schwingquarzes schwingt. Aus "Halb­ leiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, 8. Auflage, 1986, Abschnitt 15.2.1, ist bekannt, daß die Schwingfrequenz eines Schwingquarzes durch einfache Beschaltung mit einer Kapazität zwischen der Serienresonanz und der Parallelresonanz gezogen werden kann. Dabei ist die Parallelresonanz insbesondere stark abhängig von der Gehäusekapazität des Schwingquarzes und somit besonders den Fertigungsstreuungen unterworfen.

Andererseits kann der erfindungsgemäße Oszillator in einem einfachen Hochfrequenz-Ersatzschaltbild angesehen werden als Zusammenschaltung eines Verstärkers mit negativem Innenwiderstand am Ausgang und einer Reaktanz als Lastwiderstand, wobei diese Reaktanz in der Regel kapazitiv ausgebildet ist. Die Größe dieser kapazitiven Last im Ersatzschaltbild wird bestimmt durch die Anzahl und die Lage der Pole der Übertragungsfunktion der Oszillatorschleife. Dabei wird die kapazitive Last um so größer sein, je niedriger die Grenzfrequenzen bei diesem Ersatzschaltbild sind. Umgekehrt wird die Schwingfrequenz der Schaltungsanordnung mit diesem Ersatzschaltbild verkleinert, wenn die kapazitive Last erhöht wird.

Beim Schwingquarz ist die Parallelresonanzfrequenz größer als die Serienresonanzfrequenz. Wenn somit ein Oszillator mit einem Schwingquarz durch unterschiedliche kapazitive Lasten unterschiedliche Schwingfrequenzen annehmen kann, werden sich diese zum einen nur zwischen der Serienresonanzfrequenz und der Parallelresonanzfrequenz verändern, andererseits wird bei geringer kapazitiver Last der Oszillator in der Nähe der Parallelresonanzfrequenz, d. h. der höheren Frequenz, schwingen. Bei diesem Betriebsfall, d. h. bei geringer kapazitiver Last, ist somit die Schwingfrequenz des Oszillators stark von den Streuungen der Gehäusekapazität des Schwingquarzes abhängig.

Eine derartige Streuung der Schwingfrequenz ist für die meisten Anwendungsfälle des erfindungsgemäßen Oszillators nicht akzeptabel. Beispielsweise für den Einsatz in Funkrufempfängern, Mobiltelefonen und anderem wird gefordert, daß die einzustellende Schwingfrequenz mit hoher Genauigkeit gehalten wird. Das bedeutet, daß entweder ein sehr präzise gefertigter und damit sehr teurer Schwingquarz benutzt werden muß, oder daß eine Möglichkeit vorgesehen werden muß, den erfindungsgemäßen Oszillator innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches zum Ausgleich von Fertigungsstreuungen abgleichbar zu gestalten (als "Oszillatorpulling" bezeichnet). Bevorzugt kann beim erfindungsgemäßen Oszillator dieser Abgleich durch Abstimmung des zweiten kapazitiven Zweipols des Netzwerks und/oder des kapazitiven Elements im ersten Ausgangszweipol erfolgen. Dieser zweite kapazitive Zweipol bzw. das kapazitive Element können dazu als Trimmkondensatoren ausgeführt werden.

Um jedoch von den erwähnten Streuungen der Gehäusekapazität eines Schwingquarzes noch unabhängiger zu werden, ist es erwünscht, beim erfindungsgemäßen Oszillator die Schwingfrequenz möglichst nahe der Serienresonanz des Schwingquarzes zu wählen und somit auch den Frequenzbereich, innerhalb dessen der erfindungsgemäße Oszillator abgleichbar sein soll (Ziehbereich), möglichst nahe zur Serienresonanzfrequenz des Schwingquarzes zu legen. Es zeigt sich, daß dies nur dann möglich ist, wenn die Kapazität des ersten kapazitiven Zweipols des Netzwerks vergrößert wird. Durch Vergrößerung dieser Kapazität wird zwar der Steueranschluß des ersten Verstärkungselements stärker zu dem vom ersten Verstärkungselement abgewandten Pol des gleichstrombestimmenden Elements hin kurzgeschlossen, wodurch eine Gegentaktaussteuerung der Verstärkungselemente vergrößert und damit auch die Amplitude der Schwingung des Oszillators vergrößert wird. Andererseits verringert sich in gleichem Maße die Verstärkung innerhalb der Rückkopplungsschleife, die durch das piezoelektrische Schwingelement und die Strecke zwischen dem Steueranschluß und dem ersten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements gebildet wird. Bei Vergrößerung der Kapazität des ersten kapazitiven Zweipols des Netzwerks wird somit einmal ein Punkt überschritten, an dem eine durch die Rückkopplung vom ersten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements zum Steueranschluß des zweiten Verstärkungselements bestimmte Schwingung die durch das piezoelektrische Schwingelement bestimmte Schwingung überwiegt. Die Kapazität im ersten kapazitiven Zweipol des Netzwerks kann somit nicht beliebig vergrößert werden.

Um beim erfindungsgemäßen Oszillator eine Verschiebung des Ziehbereichs in Richtung auf die Serienresonanz des Schwingquarzes ohne Vergrößerung der Kapazität des ersten kapazitiven Zweipols des Netzwerks zu erreichen, und um insbesondere die beschriebene, parasitäre Schwingung im Kreis zwischen dem ersten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements und dem Steueranschluß des zweiten Verstärkungselements sicher auszuschließen, ist nach einer Weiterbildung der Erfindung in die Rückkopplung vom ersten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements zu dessen Steueranschluß ein Tiefpaßglied eingefügt, dessen Grenzfrequenz größer ist als die Frequenz, auf die der erste Ausgangszweipol abgestimmt ist. Durch entsprechende Wahl der Grenzfrequenz dieses Tiefpaßgliedes kann die genannte parasitäre Schwingung zuverlässig bedämpft werden.

Durch die Einfügung des Tiefpaßgliedes erhält die Übertragungsfunktion der Rückkopplungsschleife des erfindungsgemäßen Oszillators in dessen Hochfrequenz-Er­ satzschaltbild einen zusätzlichen Pol und damit eine zusätzliche Phasendrehung. Dadurch kann die kapazitive Last im Hochfrequenz-Ersatzschaltbild vergrößert werden, ohne die Kapazität des ersten kapazitiven Zweipols des Netzwerks zu vergrößern. Das Tiefpaßglied entkoppelt im erfindungsgemäßen Oszillator die Schleife über das piezoelektrische Schwingelement von derjenigen über den ersten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements und den Steuereingang des zweiten Verstärkungselements.

Vorteilhaft umfaßt das Tiefpaßglied ein ohmsches Element, welches in die Verbindung zwischen dem ersten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements einerseits und dem Netzwerk sowie dem ersten Ausgangszweipol andererseits eingefügt ist, und ein kapazitives Element, welches vom ersten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements an den vom ersten Verstärkungselement abgewandten Pol des gleichstrombestimmenden Elements geführt ist.

Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Oszillators. Dieser enthält als erstes Verstärkungselement 1 einen npn-Transistor, dessen Kollektor- Emitter-Strecke als Hauptstrompfad in einen ersten Ausgangsanschluß 2 (Kollektor) und einen zweiten Ausgangsanschluß 3 (Emitter) mündet und dessen Basis einen Steueranschluß 4 bildet. Der erste Ausgangsanschluß 2 des ersten Verstärkungselements 1 ist auf den Steueranschluß 4 über ein Netzwerk rückgekoppelt, welches ein in Reihe angeordnetes piezoelektrisches Schwingelement 5 umfaßt, welches vorzugsweise als Schwingquarz ausgebildet ist. Das Netzwerk 5 in der Figur umfaßt weiterhin eine zum piezoelektrischen Schwingelement 5 in Reihe angeordnete Serieninduktivität 6 sowie zwei kapazitive Zweipole 7 und 8, im Beispiel nach der Figur gebildet durch einfache Kondensatoren, entweder als diskrete Bauelemente oder in auf einem Halbleiterkörper integrierter Form. Der erste kapazitive Zweipol 7 ist einseitig mit dem Steueranschluß 4, der zweite kapazitive Zweipol 8 ist einseitig mit dem ersten Ausgangsanschluß 2 gekoppelt. Anderseitig sind die kapazitiven Zweipole 7, 8 mit Masse 9 verbunden, die in der Figur einen Versorgungsspannungsanschluß bildet.

Ein (zweiter) Versorgungsspannungsanschluß 10, über den dem Oszillator eine gegenüber Masse 9 positive Versorgungsspannung zugeführt wird, ist mit einem Pol eines ersten Ausgangszweipols verbunden, der eine erste Induktivität 11 und ein kapazitives Element 12 umfaßt und mit diesen Bauteilen als Sperrkreis ausgebildet ist. Dieser Sperrkreis ist auf die Schwingfrequenz des Oszillators, d. h. des piezoelektrischen Schwingelements, abgestimmt, wozu das kapazitive Element 12 wahlweise als Trimmkondensator ausgeführt sein kann. Ein vom (zweiten) Versorgungsspannungsanschluß 10 abgewandter Pol des ersten Ausgangszweipols 11, 12 ist mit dem ersten Ausgangsanschluß 2 gekoppelt.

Mit dem zweiten Ausgangsanschluß 3 des ersten Verstärkungselements 1 ist ein gleichstrombestimmendes Element 13 verbunden, im vorliegenden Beispiel als Konstantstromquelle ausgeführt. Das gleichstrombestimmende Element 13 ist mit einem zweiten Pol an Masse 9 angeschlossen und stellt für hochfrequente Ströme eine hohe Impedanz, im Idealfall einen Leerlauf dar.

Ein zweites Verstärkungselement 14, gebildet durch einen npn-Transistor, ist mit seinem zweiten Ausgangsanschluß 15 (Emitter) mit dem zweiten Ausgangsanschluß 3 des ersten Verstärkungselements 1 verbunden. Ein Steueranschluß 17 (Basis) des zweiten Verstärkungselements 14 ist mit dem ersten Ausgangsanschluß 2 des ersten Verstärkungselements 1 verbunden. Weiterhin ist eine Verbindung von einem ersten Ausgangsanschluß 16 des zweiten Verstärkungselements 14 an einen zweiten Ausgangszweipol geführt, der eine zweite Induktivität 18 und ein zweites kapazitives Element 19 umfaßt. Anderseitig ist der zweite Ausgangszweipol 18, 19 mit dem (zweiten) Versorgungsspannungsanschluß 10 verbunden. Der zweite Ausgangszweipol bildet einen Sperrkreis, der auf die Frequenz der vom Oszillator abzugebenden Schwingung abgestimmt ist, die eine Harmonische der Schwingfrequenz des piezoelektrischen Schwingelements 5 sein kann. Entsprechend ist der Verbindungspunkt zwischen dem ersten Ausgangsanschluß 16 des zweiten Verstärkungselements 14 und dem zweiten Ausgangszweipol 18, 19 als Oszillatorausgang 20 ausgebildet. Wie das kapazitive Element 12 des ersten Ausgangszweipols kann auch das zweite kapazitive Element 19 für einen Abgleich des Oszillators trimmbar ausgeführt sein, was in der Figur jedoch nicht gesondert dargestellt ist.

Auch beim zweiten Verstärkungselement 14, dem npn-Transistor in dem Ausführungsbeispiel nach der Figur, bildet die Kollektor-Emitter-Strecke einen Hauptstrompfad des zweiten Verstärkungselements 14.

Parallel zum gleichstrombestimmenden Element 13 ist ein Überbrückungselement 21 angeordnet, welches für die Schwingung, auf die der zweite Ausgangszweipol 18, 19 abgestimmt ist, niederohmig ausgebildet ist. Im Ausführungsbeispiel nach der Figur wird das Überbrückungselement 21 durch einen Kondensator gebildet. Wahlweise kann das Überbrückungselement 21 von der Verbindung zwischen dem gleichstrombestimmenden Element 13 und den zweiten Ausgangsanschlüssen 3, 15 der Verstärkungselemente 1, 14 statt an Masse 9 auch an den (zweiten) Versorgungsspannungsanschluß 10 geführt werden. Dies ist in der Figur gestrichelt dargestellt. In beiden Fällen schließt das Überbrückungselement 21 einen Stromkreis für die hochfrequenten Ströme durch die Verstärkungselemente 1, 14 und die Ausgangszweipole 11, 12 bzw. 18, 19. Die Anordnung aus den Verstärkungselementen 1, 14 erzeugt bei idealer Symmetrie keine geradzahligen Harmonischen der Schwingfrequenz des piezoelektrischen Schwingelements. Am Verbindungspunkt zwischen den zweiten Ausgangsanschlüssen 3, 15 der Verstärkungselemente 1, 14 entsteht im Betrieb die gleichgerichtete Spannung der Schwingfrequenz. Durch den über das Überbrückungselement 21 gebildeten, niederohmigen Pfad ist ein Beimischen geradzahliger Harmonischer auch bei symmetrischer Anordnung der Verstärkungselemente 1, 14 möglich.

Die Serieninduktivität 6 in Reihe mit dem piezoelektrischen Schwingelement 5 ändert die Impedanz des piezoelektrischen Schwingelements 5 im Netzwerk in der Weise, daß die Schwingfrequenz des piezoelektrischen Schwingelements gegenüber dem unbeschalteten Fall verringert wird. In einer Abwandlung des Oszillators nach der Figur kann die Serieninduktivität 6 entfallen. Im übrigen kann eine Verringerung der Schwingfrequenz auch durch Änderung der Geometrie des piezoelektrischen Schwingelements erreicht werden.

Dem ersten Ausgangszweipol 11, 12 im Ausführungsbeispiel nach der Figur ist ein paralleler Dämpfungswiderstand 22 beigegeben, durch den der vom ersten Ausgangszweipol 11, 12 gebildete Resonanzkreis soweit bedämpft wird, daß seine Resonanzfrequenz nicht die Schwingungen des piezoelektrischen Schwingelements dominiert.

Ein Basiswiderstand 23 dient der Gleichstromspeisung des Steueranschlusses 4 des ersten Verstärkungselements 1.

Der Oszillator gemäß der Figur weist weiterhin ein Tiefpaßglied auf, welches in die Rückkopplung vom ersten Ausgangsanschluß 2 des ersten Verstärkungselements 1 zu dessen Steueranschluß 4 eingefügt ist und dessen Grenzfrequenz größer ist als die Frequenz, auf die der erste Ausgangszweipol abgestimmt ist. Dieses Tiefpaßglied, in der Figur gebildet durch ein ohmsches Element 24 und ein kapazitives Element 25, stellt somit für die vorstehend genannte Rückkopplung keine Einschränkung dar, dämpft jedoch parasitäre Schwingungen einer Schleife, in die die Verstärkungselemente 1, 14 mit ihrer Rückkopplung vom ersten Ausgangsanschluß 2 des ersten Verstärkungselements 1 an den Steueranschluß 17 des zweiten Verstärkungselements 14, eine Gehäusekapazität des piezoelektrischen Schwingelements 5, der erste kapazitive Zweipol 7 des Netzwerks und das Überbrückungselement 21 eingebunden sind. Dabei ist das ohmsche Element 24 in die Verbindung zwischen dem ersten Ausgangsanschluß 2 des ersten Verstärkungselements 1 einerseits und dem Netzwerk 5 bis 8 sowie dem ersten Ausgangszweipol 11, 12 andererseits eingefügt. Das kapazitive Element 25 ist vom ersten Ausgangsanschluß 2 des ersten Verstärkungselements 1 an den vom ersten Verstärkungselement 1 abgewandten Pol des gleichstrombestimmenden Elements 13, d. h. an Masse 9, geführt.

Der erfindungsgemäße Oszillator ist einfach aufgebaut und zu einem großen Teil leicht auf einem Halbleiterkörper integrierbar, so daß neben diesem nur wenige externe Bauelemente und damit nur wenige Anschlüsse des integrierten Schaltkreises benötigt werden. Der erfindungsgemäße Oszillator weist einen sehr sparsamen Stromverbrauch auf und kann mit sehr geringen Versorgungsspannungen betrieben werden. Beim Anlegen einer Versorgungsspannung wird nach einer sehr kurzen Einschwingzeit eine stabile Schwingung am Ausgang (Oszillatorausgang 20 in der Figur) abgegeben. Auch bei Frequenzverstimmung des Oszillators ändert sich diese sehr kurze Einschwingzeit nicht wesentlich. Beim Aufstarten, d. h. bei der Inbetriebnahme des Oszillators durch Anlegen der Versorgungsspannung, schwingt der Oszillator zunächst über die vom ersten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements zum Steueranschluß des zweiten Verstärkungselements kreuzgekoppelten Verstärkungselemente (die einen negativen Widerstand bilden) und den LC-Kreis des ersten Ausgangszweipols an. Dieses Anschwingen wird durch die Kreuzkopplung, die zu einer Vergrößerung der Impedanz am ersten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements und damit zu einer Vergrößerung der Schleifenverstärkung des Oszillators führt, gegenüber einem "Pierce-Oszillator" sehr stark beschleunigt. Dabei ist die Güte des ersten Ausgangszweipols (ggf. unter Einrechnung eines parallelen Dämpfungswiderstands) so niedrig, daß der Oszillator ohne piezoelektrisches Schwingelement gerade eben schwach schwingen würde. Der erste Ausgangszweipol ist auf eine Frequenz abgestimmt, die zumindest weitgehend der Schwingfrequenz des piezoelektrischen Schwingelements entspricht; dabei kann durch die geringe Güte des ersten Ausgangszweipols dessen Schwingfrequenz leicht durch das piezoelektrische Schwingelement bestimmt werden. In der Aufstartphase regt nun die Schwingung des ersten Ausgangszweipols das piezoelektrische Schwingelement und die über dieses geschlossene Oszillatorschleife an, worauf das piezoelektrische Schwingelement die Frequenzbestimmung übernimmt, d. h. dominierend zu Schwingen beginnt.

Die hochfrequenten Ströme in den Hauptstrompfaden der Verstärkungselemente enthalten die Schwingfrequenz des piezoelektrischen Schwingelements und deren Harmonische. Von diesen Frequenzen kann jede nach Wahl über den zweiten Ausgangszweipol ausgesiebt werden, auch die Grundschwingung bzw. Schwingfrequenz des piezoelektrischen Schwingelements selbst, da der zweite Ausgangszweipol von der Oszillatorschleife entkoppelt ist. Deren Schwingverhalten wird dadurch nicht beeinträchtigt. Im übrigen fließen hochfrequente Ströme nur in den Verstärkungselementen und den Ausgangszweipolen, ggf. im Überbrückungselement. Dagegen werden über das Netzwerk nur geringe hochfrequente Ströme in die Versorgungsspannungsanschlüsse geleitet.

Claims (12)

1. Oszillator mit einem (ersten) Verstärkungselement, das einen Steueranschluß und einen in einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluß mündenden Hauptstrompfad aufweist, mit einem Netzwerk, über das der erste Ausgangsanschluß des (ersten) Verstärkungselements auf den Steueranschluß des (ersten) Verstärkungselements durch ein in Reihe angeordnetes, piezoelektrisches Schwingelement rückgekoppelt ist, sowie mit einem an den ersten Ausgangsanschluß des (ersten) Verstärkungselements gekoppelten (ersten) Ausgangszweipol und einem an den zweiten Ausgangsanschluß des (ersten) Verstärkungselements gekoppelten gleichstrombestimmenden Element, gekennzeichnet durch ein zweites Verstärkungselement mit einem einseitig in einen (zweiten) Ausgangsanschluß mündenden Hauptstrompfad, wobei der (zweite) Ausgangsanschluß des zweiten Verstärkungselements mit dem zweiten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements gekoppelt ist.

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steueranschluß des zweiten Verstärkungselements mit dem ersten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements gekoppelt ist.

3. Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Ausgangsanschluß des zweiten Verstärkungselements, in den der Hauptstrompfad des zweiten Verstärkungselements anderseitig mündet, mit einem zweiten Ausgangszweipol gekoppelt ist.

4. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen der Ausgangszweipole eine Resonanzcharakteristik aufweisen.

5. Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangszweipole als Sperrkreise ausgebildet sind.

6. Oszillator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ausgangszweipol auf die Frequenz einer Grundschwingung oder einer Oberschwingung des piezoelektrischen Schwingelements abgestimmt ist und daß der zweite Ausgangszweipol auf eine Oberschwingung der Resonanzfrequenz des ersten Ausgangszweipols abgestimmt ist.

7. Oszillator nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein zu dem gleichstrombestimmenden Element hochfrequenzmäßig parallel angeordnetes Überbrückungselement, welches für die Schwingung, auf die der zweite Ausgangszweipol abgestimmt ist, niederohmig ausgebildet ist.

8. Oszillator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Überbrückungselement zwischen den zweiten Ausgangsanschlüssen der Verstärkungselemente und den von den Verstärkungselementen abgewandten Polen der Ausgangszweipole angeordnet ist.

9. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk zwei kapazitive Zweipole umfaßt, von denen ein erster einseitig mit dem Steueranschluß und der zweite einseitig mit dem ersten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements gekoppelt ist und die anderseitig an einen vom ersten Verstärkungselement abgewandten Pol des gleichstrombestimmenden Elements geführt sind.

10. Oszillator nach Anspruch 9 und einem der Ansprüche 4,5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite kapazitive Zweipol des Netzwerks abstimmbar ausgeführt ist und/oder daß der erste Ausgangszweipol ein kapazitives Elements umfaßt, welches abstimmbar ausgeführt ist.

11. Oszillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die Rückkopplung vom ersten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements zu dessen Steueranschluß ein Tiefpaßglied eingefügt ist, dessen Grenzfrequenz größer ist als die Frequenz, auf die der erste Ausgangszweipol abgestimmt ist.

12. Oszillator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßglied umfaßt: ein ohmsches Element, welches in die Verbindung zwischen dem ersten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements einerseits und dem Netzwerk sowie dem ersten Ausgangszweipol andererseits eingefügt ist, und ein kapazitives Element, welches vom ersten Ausgangsanschluß des ersten Verstärkungselements an den vom ersten Verstärkungselement abgewandten Pol des gleichstrombestimmenden Elements geführt ist.