DE1209619B - Oszillator mit einer Tunneldiode, die an ein Brueckennetzwerk geschaltet ist - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03b

Deutsche Kl.: 21a4-13

Nummer:

Aktenzeichen:

Anmeldetag:

Auslegetag: 27. Januar 1966

G 38505IX d/21 a4

20. August 1963

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator mit einer im negativen Widerstandsgebiet arbeitenden Tunneldiode, die an ein Brückennetzwerk geschaltet ist, das in einem Zweig eine Kapazität vom Wert »C« (Farad) und in einem weiteren Zweig eine Induktivität vom Wert »Z,« (Henry) aufweist und das im Brückenzweig einen Serienresonanzkreis enthält.

Oszillatoren dieser Art sind unter anderem als zeitbestimmende Glieder von Uhren bekanntgeworden, die sich durch eine außerordentlich hohe Genauigkeit auszeichnen. Wenn solche Uhren jedoch Temperatur-Schwankungen ausgesetzt werden und/oder wenn zum Aufbau solcher Uhren weniger hochwertige Einzelteile verwendet werden, die Alterungserscheinungen ausgesetzt sind, läßt sich diese Ganggenauigkeit nicht mehr aufrechterhalten.

Ziel der Erfindung ist es daher, die Induktivitätsund Kapazitätswerte so zu wählen, daß die durch Temperaturschwankungen und/oder durch Alterungserscheinungen des Kristalls und/oder der Tunneldiode hervorgerufenen Frequenzänderungen des Oszillators von selbst ausgeglichen werden.

Ein Merkmal der Erfindung ist somit darin zu erblicken, daß sich die Resonanzfrequenz, die durch

die Beziehung ^==- in Abhängigkeit von der

"" 2 π \ L · C

Induktivität und der Kapazität des Brückennetzwerkes bestimmt ist, von der ausgewählten Serienresonanzfrequenz des piezoelektrischen Kristalls unterscheidet, so daß der Serienwiderstand des Kristalls selbst oder des Schaltungszweiges, in den der Kristall eingeschaltet ist, die Oszillatorfrequenz in der vorbestimmten Weise beeinflußt.

Es sind zwar Röhrenoszillatoren bekanntgeworden, deren Gitter- und Anodenkreise auf etwas andere Frequenzen abgestimmt sind. Das ist in diesem Fall zur Anfachung von Schwingungen notwendig, da die durch das Schwingelement reflektierte Impedanz nicht rein ohmisch sein darf. Bei einem Schaltkreis der hier in Frage kommenden Art ist diese Überlegung aber nicht anwendbar, da hier das Anschwingen durch die negative Kennlinie der Tunneldiode hervorgerufen wird. Wenn man daher die beiden Schwingkreiszweige gegeneinander verstimmt, müßte man Störeffekte erwarten. Es stellt sich jedoch als überraschend heraus, das durch eine solche Maßnahme die Oszillatorschaltung automatisch kompensiert werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen beschrieben.

F i g. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung;

Oszillator mit einer Tunneldiode, die an ein
Brückennetzwerk geschaltet ist

Anmelder:

General Electric Company,

Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:
Robert Lawrence Watters,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 22. August 1962 (218 649)

F i g. 2 ist eine typische Kennlinie einer Tunneldiode, die in dieser Erfindung verwendet wird;

F i g. 3 zeigt die Wirkungsweise der Temperaturkompensation gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des frequenzgesteuerten Oszillators nach der Erfindung.

Die Erfindung verwendet den negativen Widerstand der Tunneldiode, die zusammen mit einem frequenzbestimmenden Netzwerk verschaltet ist, das einen piezoelektrischen Kristall aufweist. Das Netzwerk stellt nur in der Nähe der ausgewählten Serienresonanzfrequenz des piezoelektrischen Kristalls für die Tunneldiode die höchste Impedanz dar. Daraus ergibt sich ein außerordentlich stabiler Oszillator.

Die F i g. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild eines frequenzgesteuerten Oszillators, der die Merkmale und die Eigenschaften der Erfindung aufweist. Wie man sieht, weist der Oszillator eine einzelne Tunneldiode 1, ein frequenzbestimmendes Netzwerk 2 mit einem. piezoelektrischen Kristall 3 sowie eine Vorspannungsquelle 4 auf.

Das frequenzbestimmende Netzwerk 2 ist eine Brückenschaltung mit zwei Stromwegen. Der eine Stromweg verläuft über den Kondensator 5 und den Widerstand 6. Der andere Stromweg läuft über die Induktivität 7 und den Widerstand 8. Ein Kristallzweig, der den piezoelektrischen Kristall 3 enthält, ist zwischen die Knotenpunkte 9 und 10 der Reihenschaltung von Kondensator und Widerstand und

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der Reihenschaltung von Induktivität und Widerstand scharf ist. Piezoelektrische Kristalle schwingen nur eingeschaltet. Weiterhin kann in Serie mit dem innerhalb eines außerordentlich schmalen Frequenzpiezoelektrischen Kristall eine variable Kapazität 11 gebietes und sind daher besonders für die Steuerung eingeschaltet sein, durch die sich eine Feineinstellung einer Frequenz in einem Oszillator geeignet. Zusätzlich

der Serienresonanzfrequenz des Kristalls durchführen 5 sind Quarzkristalle beispielsweise mechanisch sehr

läßt. stabil, billig und können mit einem kleinen Tem-

Die Widerstände 6 und 8 werden mit Vorzug so peratmkoefßzienten hergestellt werden. In einer Aus-

ausgewählt, daß sie gleiche Werte besitzen. Zusätzlich führungsform der Erfindung sind die Werte der soll dieser Wert kleiner sein als der Absolutwert des Induktivität 7 und des Kondensators 5 so ausgewählt, negativen Widerstandes der Tunneldiode 1. Für eine io daß sie in der Nähe der ausgewählten Serienresonanz-Vielzahl von Verwendungszwecken ist es ebenfalls frequenz des Kristalls einen Parallelresonanzkreis vorteilhaft, daß der Wert der Widerstände 6 und 8 darstellen, dessen Resonanzfrequenz durch die Benicht nur kleiner als der Absolutwert des negativen _h 1 _{ben ist Gemäß der Erfindung} Widerstandes der Tunneldiode ist, sondern auch dem ⁶2π]/ζ.·Ο⁶⁶

,„ ι/T~ , . . j τ,,.. ..... „ 15 wird der Serienwiderstand des Kristalls allein oder

Wert]/ A gleicht, wobei L den Wert der Induktivität 7 _{zusammen mit der in Rdhe dazu lie}g_{enden Nach}.

in Henry und C den Wert der Kapazität 5 in Farad Stimmkapazität dazu verwendet, die Oszillatorfrequenz

bedeutet. Wenn die Widerstände so gewählt sind, so in einer vorbestimmten Weise zu beeinflussen, weist das Netzwerk ohne den Kristall eine konstante Da der Serienwiderstand des piezoelektrischen

Impedanz auf. 20 Kristalls mit einem Steigen der Temperatur anwächst,

Die Anschlüsse 12 und 13 der Tunneldiode 1 sind wird diese Beziehung dazu verwendet, den Oszillator mit den Knotenpunkten 14 bzw. 15 des Netzwerkes 2 gegenüber Temperaturschwankungen zu kompenverbunden. Eine Spannungsquelle, die schematisch sieren. Für jeden Präzisionskristall ist die Abhängigais Batterie 16 dargestellt ist, ist mit ihrem einen An- keit zwischen Temperatur und Frequenz bekannt, so Schluß an den Knotenpunkt 15 gelegt und mit ihrem »5, _,.,,,._,., 1 , anderen Anschluß über einen Widerstand 17 mit dem ^{daß die durch die} Beziehung ^y^ gegebene Knotenpunkt 9 verbunden. Die Batterie 16 und die Parallelresonanzfrequenz entweder höher oder niedri-Widerstände 8 und 17 liefern die Vorspannung für die ger als die ausgewählte Serienresonanzfrequenz des Tunneldiode 1. Kristalls gemacht werden kann, um die erforderliche

Wenn die Vorspannungsschaltung so verbunden ist, 30 Temperaturkompensation zu erreichen.

wie es in der Fi g. 1 gezeigt ist^so soll bemerkt werden, beispielsweise die Beziehung -^=- daß der effektive Wert des Widerstandes8 des Netz- ^{y ö} 2n\L-C Werkes 2 dem Widerstandswert der Parallelschaltung größer gemacht wird als die ausgewählte Serienaus den Widerständen 8 und 17 entspricht. Wenn man resonanzfrequenz des piezoelektrischen Kristalls 3, also die Widerstände des Netzwerkes einander gleich- 35 so wächst die Oszillatorfrequenz mit einem Ansteigen macht, so muß der Wert des Widerstandes 6 diesem des Serienwiderstandes des Kristallzweiges an. Wenn

effektiven Wideretandswert gleichgemacht werden und _{andererseits die} Beziehung ~r— niedriger als

nicht etwa dem Wert des Widerstandes 8 fur sich allem. ⁶ 2 π ]/ L ■ C

Da jedoch der Wert des Widerstandes 17 normaler- die ausgewählte Serienresonanzfrequenz des piezoweise groß ist, verglichen mit dem Wert des Wider- 40 elektrischen Kristalls 3 macht, so nimmt die Oszillatorstandes 8, ist dieser äquivalente Widerstandswert im frequenz mit dem Anwachsen des Serienwiderstandes wesentlichen der gleiche wie der Wert des Wider- im Kristallzweig ab.

Standes 8 allein, so daß in den meisten Fällen die Die F i g. 3 zeigt die Wirkung einer solchen Tem-

Außerachtlassung dieser Überlegung zu keinen kriti- peraturkompensation auf einen Oszillator, der einen sehen Bedingungen führt. 45 besonderen Kristall verwendet, der einen GT-Schnitt

Die Werte der Spannungsquelle 16 und der Wider- aufweist. Die Kurve B zeigt die Änderung der Frestände 8 und 17 werden so ausgewählt, daß die Gleich- quenz mit der Temperatur für einen Oszillator, bei

Stromarbeitskennlinie, die sich aus den speziellen , ,. _D . , 1 . . , , ...,.

Werten dieser Bauelemente ergibt, die Kennlinie der ^{dem die Beziehun}S ^fTc ^{gleich der aus}§^ewahlten Tunneldiode nur in dem Gebiet negativen Wider- 50 Serienresonanzfrequenz des Kristalls ist. Der Serienstandes schneidet. Eine typische Gleichstromarbeits- widerstand im Kristallzweig hat hierbei keinen wesentkennlinie für einen solchen Betrieb einer Tunneldiode liehen Effekt auf die Frequenz. Da nun, wie man sieht, ist in der F i g. 2 bei A gezeigt. Wie man sieht, schneidet der Oszillator außerordentlich stabil ist, sind Frequenzdie Arbeitskennlinie A die Stromspannungskennlinie änderungen sehr klein und werden durch die Änderung der Tunneldiode an einem Punkt O in dem negativen 55 der Serienresonanzfrequenz des Kristalls selbst mit Widerstandsbereich. der Temperatur hervorgerufen. Die Kurve C aus

In der Schaltanordnung nach der Erfindung arbeitet F i g. 3 zeigt, daß Frequenzänderungen merklich der piezoelektrische Kristall 3 in seinem Zustand _t1 . . , , ,. , ._Mi . 1

niedriger Impedanz oder in seinem Serienresonanz- ^{Memer sind}> ^{wenn man das Verhaltais} ^jTTc ^S° zustand. Wenn auch als frequenzstabilisierendes 60 wählt, daß sich eine andere Frequenz als die ausge-Element ein piezoelektrischer Kristall bevorzugt ist, wählte Serienresonanzfrequenz des Kristalls ergibt, so lassen sich auch andere Bauteile verwenden, die Dann arbeitet die Schaltung mit einer Temperatureine Serienresonanzfrequenz festlegen. Es lassen sich kompensation, die sich auf Grund des Einflusses des aber auch solche Vorrichtungen wie eine Stimmgabel, Serienwiderstandes des Kristallzweiges auf die Freein magnetostriktiver Draht oder andere mechanische 55 quenz ergibt.

oder elektromechanische Vorrichtungen benutzen. Wie man der Kurve B aus F i g. 3 entnehmen kann,

Ein piezoelektrischer Kristall wird allerdings deswegen beträgt die Frequenzänderung etwa 3,2 ■ 10~⁸ pro bevorzugt, weil seine Resonanzkurve außerordentlich Grad Celsius. Man sieht daher, daß der Oszillator

5 5

nach der Erfindung außerordentlich stabil ist. Anderer- noch einmal auf die F i g. 1 Bezug genommen werden,

seits zeigt die Kurve C aus F i g. 3, daß auf Grund Es sei angenommen, daß der piezoelektrische Kristall 3

der Temperaturkompensation eine Frequenzstabilität mit seiner Serienresonanzfrequenz schwingt und daß

erreicht werden kann, auf Grund derer sich die er daher im wesentlichen einen Kurzschluß darstellt.

Frequenz pro Grad Celsius nur noch um 1,6 · 10~⁸ 5 Die Impedanz, die an der Tunneldiode anliegt, ist

ändert. dann die Parallelresonanzimpedanz der Kombination

Die Ergebnisse, die in der F i g. 3 gezeigt sind, , _T , , .. _v... _ , , _T, .,.. _ , R

stellen sicherlich noch nicht das Optimum einer^ ^{aus der} Induktivität 7 und der Kapazität 5 plus _Ύ,

Temperaturkompensation dar, die sich mit der wobei R den Widerstandswert 6 oder 8 darstellt, da

Oszillatorschaltung nach der Erfindung erreichen io diese Widerstände die gleichen Werte haben. Wenn

läßt. Wenn man also von vornherein mit Präzisions- diese Impedanz größer gemacht wird als der absolute

schwingkristallen arbeitet, so läßt sich sicherlich eine Betrag des negativen Tunneldiodenwiderstandes, so

vollständige Temperaturkompensation annähern. kann die Schaltung schwingen.

Um die Erklärung der Wirkungsweise des Oszillators Aus der bisherigen Beschreibung geht hervor, daß

nach der Erfindung zu vereinfachen, sei zu Beginn 15 die Frequenz, bei der das Netzwerk seine höchste

angenommen, daß in die Schaltung aus der F i g. 1 Impedanz aufweist, in der Nähe der ausgewählten

zwischen die Knotenpunkte 9 und 10 des Netzwerkes 2 Serienresonanzfrequenz des piezoelektrischen Kristalls

der piezoelektrische Kristall noch nicht eingesetzt liegt. Die Schaltung erzeugt daher nur an dieser einen

ist. Die Tunneldiode 1 ist so vorgespannt, daß sich Frequenz Schwingungen und stellt einen einfachen

beispielsweise eine Arbeitskennlinie ergibt, wie sie bei 20 Oszillator dar, der eine außerordentlich konstante

A in der F i g. 2 gezeigt ist, um einen Betrieb im Ge- Frequenz abgibt. Fernerhin kann man die Beziehung biet negativen Widerstandes der Tunneldiode möglich 1 t. ■· 1· t. j ο · c λ

zu machen. Wenn die Werte der Widerstände 6 undj Ί^ΤΤΈ ^{beZUghch der} Serienresonanzfrequenz des

einandergleichsindundimwesentlichendemWertl/A ^^ristalls _f ^so f^ ^da ₊ ^{ß man} den Frequenzausgang

[/ C 25 des gesteuerten Oszillators m vorbestimmter Weise

entsprechen, ist die Impedanz über der Tunneldiode von dem Serienwiderstand des Kristalls abhängig

für alle Frequenzen konstant. Da dieser Widerstand machen kann.

kleiner gemacht worden ist als der absolute Wert des Die ausgewählte Senenresonanzfrequenz des piezonegativen Widerstandes der Tunneldiode, so treten elektrischen Kristalls kann entweder seine Grundkeine Schwingungen auf. So wird beispielsweise für 30 schwingung oder eine bestimmte höhere Harmonische jede Frequenz das Anwachsen der Impedanz auf Grund dieser Grundschwingung sein. Schwingt der Kristall der Induktivität 7 durch das Abnehmen der Impedanz in höheren Harmonischen der Grundschwingung, so des Kondensators 5 ausgeglichen, so daß über der macht sich der Einfluß der Kapazität der Kristall-Tunneldiode immer ein konstanter Widerstand R halterung bemerkbar. Dieser Effekt wird üblicherweise anliegt. 35 dadurch ausgeschaltet, daß man den Kristall mit einer

Wenn jedoch der piezoelektrische Kristall 3 zwischen geeigneten Induktivität überbrückt,
die Knotenpunkte 9 und 10 eingesetzt ist, wie es in Man hat gefunden, daß für die Frequenz der Oszilla-

der F i g. 1 zu sehen ist, stellt das Netzwerk für die torschaltung nach der Erfindung nur durch den

Tunneldiode in der Nähe der Senenresonanzfrequenz Kristall und die anderen Serienresonanzelemente eine

des Kristalls einen hohen Widerstand dar. Wenn das 4° Grenze gesetzt ist, die in der ganzen Schaltung ver-

Verhältnis —i=- der Induktivitäts-Kapazität.- wendet werden, da die Tunneldiode in der Lage ist,

2 π} L ■ C auch noch m ultrahohen Frequenzgebieten zu

Kombination so gewählt wird, daß sich die ausge- schwingen.

wählte Senenresonanzfrequenz des piezoelektrischen Als Beispiel seien nun die Bauteile für einen frequenz-

Kristallzweiges ergibt, so ist das Netzwerk bei dieser 45 gesteuerten Oszillator angegeben, der die Merkmale

Serienresonanzfrequenz des Kristallzweiges eine hohe dieser Erfindung aufweist.

Impedanz, und der Serienwiderstand hat keinen Tunneldiode 1 Germanium-Tunneldiode mit

wesentlichen Einfluß mehr darauf. 0,5 Milliampere Spitzenstrom

Wenn man die Beziehung T₇= so wählt, daß Piezoelektrischer

... , _ 2n]/L-C 50 Kristall 3 100-kHz-Quarzkristall im GT-

sich eine andere Frequenz als die ausgewählte Serien- Schnitt Tvd T 12 G der Nor

resonanzfrequenz des piezoelektrischen Kristallzweiges _thern Engineering Company

ergibt, so wird zwar die Ausgangsfrequenz des Oszilla- · ·· β ολλλ υ

tors noch von der Serienresonanzfrequenz des Kristalls kapazität 5 8OUU pt

gesteuert, kann aber in einer vorbestimmten Weise 55 Widerstände 6 und 8 .. 200 Ohm

durch eine Änderung im Serienwiderstand des piezo- Induktivität 7 300 bis 500 μΆ (veränderlich)

elektrischen Kristalls oder durch eine Änderung des Kondensator 11 etwa 100 pF (veränderlich)

gesamten Serienwiderstandes in dem Zweig, in dem Batterie 16 15 Volt

der Kristall eingesetzt ist, beeinflußt werden. Da sich , ' " ' ,

nun der Serienwiderstand des Kristalls über eine Tem- 60 ^Wlderstand 1' ^{5υυυ ünm}

peraturänderung ebenfalls verändert, kann dieser Die Induktivität 7 wurde zuerst so eingestellt, daß

Effekt dazu verwendet werden, die charakteristische ihr Wert etwa 320 μΆ betrug, so daß sich aus der BeÄnderung der Senenresonanzfrequenz des Kristalls . , 1 · rr _u a- 1 · 1,

mit der Temperatur zu kompensieren, um einen Oszil- ^ziehung ΎΰψΓΈ ^{eme FrequenZ ergab}' ^{die gleich}

lator zu erhalten, der sich durch eine außerordentlich 65 der Senenresonanzfrequenz des Kristalls von 100 kHz

konstante Ausgangsfrequenz auszeichnet. war. Die Kapazität 11 wurde dabei so eingestellt, daß der

Um die Wirkungsweise der Frequenzsteuerung über Oszillator eine Ausgangsfrequenz von 100 kHz abgab,

den piezoelektrischen Kristall klarer darzustellen, soll die von dem Kristall 3 gesteuert wurde. Die Frequenz-

änderungen dieses Oszillators mit der Temperatur sind in Teilen pro 10⁸ durch die Kurve B der F i g. 3 gezeigt.

Anschließend wurde nur der Kondensators von 8000 Pikofarad durch einen Kondensator mit

6050 Pikofarad ersetzt, so daß die Beziehung ——

2τε y L · C

für die Parallelschaltung von Kondensator und Induktivität eine Frequenz ergab, die an Stelle von 100 kHz bei 110 kHz lag. In diesem Beispiel wurde also die Resonanzfrequenz der Spule und des Kondensators höher gewählt als die Serienresonanzfrequenz von 100 kHz des Kristalls. Anschließend wurde die Kapazität 11 erneut eingestellt, um eine Ausgangsfrequenz von 100 kHz hervorzurufen. Die Abhängigkeit der Frequenz dieses Oszillators von der Temperatur ist in der Kurve C der F i g. 3 gezeigt. In einem weiteren Versuch wurde der Kondensator 5 durch einen Kondensator von 9000 Pikofarad ersetzt, so daß sich für die Resonanzfrequenz des Kondensators und der Induktivität ein Wert ergab, der niedriger als die Serienresonanzfrequenz des Kristalls war. Dann nimmt die Frequenz des Oszillators mit einem Anwachsen des Serienwiderstandes im Kristallzweig ab. Wenn man eine Kapazität 5 von etwa 7600 Pikofarad verwendete, so daß die Resonanzfrequenz des Kondensators und der Induktivität höher war als die bisherige Resonanzfrequenz des Kristalls, so stieg die Oszillatorfrequenz mit einem Größerwerden des Serienwiderstandes im Kristallzweig wieder an.

Die kristallgesteuerte Frequenz dieses Oszillators läßt sich also in einer vorbestimmten Weise in Abhängigkeit von einer Änderung des Serienwiderstandes des Kristalls ändern, die wiederum beispielsweise durch eine Änderung der Kristalltemperatur hervorgerufen werden kann. Nach der Erfindung läßt sich nicht nur der Temperatureffelct, sondern auch die WMung des Alterns des Kristalls ausgleichen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Oszillator mit einer im negativen Widerstandsgebiet arbeitenden Tunneldiode, die an ein Brückennetzwerk geschaltet ist, das in einem Zweig eine Kapazität vom Wert »C« (Farad) und in einem weiteren Zweig eine Induktivität vom Wert »L« (Henry) aufweist und das im Brückenzweig einen Serienresonanzkreis enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Induktivität (7) und der Wert der Kapazität (5) so gewählt sind, daß die Resonanzfrequenz der beiden parallelgeschalteten, diese Bauelemente enthaltenden

Brückenzweige, die durch die Beziehung

2πy L·C

bestimmt ist, von der eingestellten Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises (3, 11) so weit nach höheren oder tieferen Frequenzwerten verschieden ist, daß die Frequenz der Oszillatorschwingung von der durch Temperatur, Alterung oder anderen Einflüssen bedingten Änderung des Widerstandes des Serienresonanzkreises entweder weitgehend unabhängig ist oder eine gewünschte Abhängigkeit aufweist.

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Ohmschen Widerstände

zu

]/— gewählt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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