DE832614C - Piezokristall-Schaltanordnung - Google Patents

Description

(WiGBL S. 175)

AUSGEGEBEN AM 25. FEBRUAR 1952

P 30037 VIII a/ 21 a* D

ist als Erfinder genannt worden

Piezokristall-Schaltanordnung

Die Erfindung 'betrifft piezoelektrische Schaltanordnungen und l>eschäftigt sich mit der Aufgabe", verliesserte piezoelektrisch gesteuerte Schaltanordnungen zu schaffen, in denen die gesteuerte Frequenz innerhalb bestimmter Grenzen moduliert oder in anderer Weise geändert werden kann.

Die wichtigste Anwendung findet die Erfindung l>ei kristaMigesteuerten, frequenzmodulierten Oszillatoren, doch kann, wie weiter unten gezeigt wird, (He Erfindung stets dann (benutzt werden, wenn eine kniistal !gesteuerte veränderliche Frequenz verlangt wird.

Es sind einige Schaltanordnungen bekannt, in denen die Frequenzmodulation eines kristallgesteuerten Oszillators durch Änderung des Blindleitwertes l>ewirkt wind, der von einer Vorrichtung oder einem Kreis geliefert wird, der in geeigneter Weise dem Kristallkreis zugeordnet oder eingegliedert ist, wobei dieser Blindleitwert in der Praxis gewöhnlich durch ein zweckmäßig geschaltetes und ao getriebenes therrmioniseines Entladungsgefäß dargestellt wJrdi, d. h. durch eine Röhre, die mittels des Millereffektes als veränderliche Kapazität wiirkt. Die vorliegende Erfindung strebt verbesserte und einfache Anordnungen an, wobei Frequenizändierun- as gen von einigen Teilen auf Tausend ohne Einführung einer hindernden Amplitudenmodulation oder Amplitudemverzerrung erreicht werden können, unid zwischen der angewandten Änderung des Blindilaitwertes und der Frequenzänderung gute Proportionalität aufrechterhalten wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein piezoelektrischer Kristall, der in Verbindung mit einer Vorrichtung oder einem Kreis benutzt wird, welcher zur Erzeugung einer veränderlichen oder Madulatiomsfrequenz einen veränderlichen Blind- >

kitwert einführt, mit der genannten Vorrichtung oder dem genannten Kreis durch einen Leiter verbunden, dessen Länge ¹U oder ein ungerades Vielfaches eines Viertels einer Wellenlänge beträgt (Λ/4-Leiter) oder durch ein äquivalentes Netzwerk oder eine Vorrichtung zur Impedanzumkehr.

Die Erfindung wird in den Zeichnungen näher dargestellt und wird im Zusammenhang damit näher erläutert.

Zur 'besseren Erläuterung soll zunächst die Ersatzschaltung eines piezoelektrischen Kristalls betrachtet werden. Zur Vereinfachung wird dabei angenommen, daß die Elektroden des Kristalls diie übliche Form leitender Schichten haben, die unmittelbar auf den Kristalloberflächen angebracht sind. Diese vereinfachende Annahme bietet den Vorteil, daß zwischen den Kristallelektroden und den Kristalloberflächen keine Kapazitäten berücksichtigt zu werden brauchen. Natürlich ist jedoch die Erfindung nicht auf die Verwendung solcher besonderer Elektrcdenanondnungen beschränkt, und es können auch Kristalle mit selbständigen Elektroden benutzt werden. In einem solchen Fall würde jedoch die folgende Erläuterung durch zusätzliche Betrachtung der Kapazität geändert werden· müssen, diie zwischen den Elektroden und den Kristalloberflächen vorhanden ist.

Die Ersatzschaltung eines Kristalls X mit den Elektroden Y, die die Form unmittelbar auf der KriiStalloberfläche befindlicher Niederschläge halben, ist in Abb. 1 dargestellt. Sie besteht aus zwei parallelen Zweigen, von denen der eine aus den elektrischen Äquivalenten der mechanischen Resonanz (dieser Zweig enthält eine Induktanz L, eine Kapazität C₀ und einen Widerstand in Reihe) und der andere aus einer Kapazität C₀ besteht, die gleich der Kapazität zwischen den Kristalloberflächen ist. Es ist klar, daß bei Neutralisierung der zuletzt erwähnten Kapazität eine im wesentlichen lineare Beziehung zwischen der Serienresonanzfrequenz des Kreises und irgendeinem Widerstand vorhanden sein wird, der in Reihe damit liegt. Wenn daher die äquivalente Kriistallimpedanz umgedreht wird, so daß sie die Form eines albgestimmten Parallel-Schwingkreises annimmt, so wird eine im wesentlichen lineare Beziehung zwischen der Frequenz und einem veränderlichen, dem Kreis zugeordneten Blindleitwert bestehen. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Kristall mit dem erwähnten veränderlichen Blindleitwert über einen Leiter verbunden wird, dessen Länge gleich ¹U der Wellenlängeoder gleich einem ungeraden Vielfachen davon ist, oder über einen äquivalenten Kreis oder über eine äquivalente Vorrichtung.

Abb. 2 zeigt in Form eines Blockdiagramms das Schaltpniniziip der Erfindung. In Abb. 2 ist X der Kristall mit den Elektroden Y, und TC stellt die Mittel zur Erzeugung des veränderlichen Blindleitwertes dar. Zur Vereinfachung ist TC als veränderlicher Kondensator gezeichnet, aber er kann auch eine veränderliche Induktanz sein oder (in der Praxis wahrscheinlicher) eine Röhrenschaltung, so z. B. ein sogenannter Millerkreis, der so geschaltet ■und betrieben ist, daß er als Vorrichtung mit elektronisch veränderlichem Blindleitwert arbeitet. Die Vorrichtung oder der Kreis TC ist mit den Kr is tall elektroden über eine Vorrichtung oder einen Kreis IN verbunden, dessen elektrische Länge η λ/4 beträgt, wo λ die Wellenlänge und η eine ungerade Zahl ist, vorzugsweise 1. Dem Fachmann ist es klar, daß die Kri'Stallkapazität (C₀ in Abb. 1) zwischen den Anschlüssen auf der Kristallseite der Vorrichtung oder des Kreises IN liegt, und entsprechend sollte beim Entwurf der Vorrichtung oder des Kreises IN diese Kapazität als Teil davon .gerechnet wenden.

Die Vorrichtung oder der Kreis IN kann irgendeine von einer großen Anzahl verschiedener Formen annehmen. Zum Beispiel können sie gemäß Abb. 3 aus einem sogenajüten π-Tei!netzwerk bestehen, das an sich bekannt ist und aus einer Induktanz vom Werte L₁ und den zwei gleichen Kapazitäten C₁ besteht. Die Induktanz und die Kondensatoren sind in Übereinstimmung mit den wohlbekannten Gesetzen so bemessen, daß sie der Gleichung W²L₁ C₁= ι genügt und eine einteilige λ/4-Linie für die vorgesehene mittlere Frequenz ω (im Kreismaß) ergibt. Wie bereits erläutert wurde, schließt die Kapazität C₁ auf der Kris tall sei te des Netzwertes die Kapazität C₀ zwischen den KriiS'taltaberflächen ein, so daß die Λ/4-Linie nur die go Impedanz jenes Teiles der Kristallersatzschaltung (Abb. 1) umkehren wird, der den Komponenten der mechanischen Resonanz entspricht. Im Falle eines Kristalls, dessen Elektroden mit Abstand von der Kristalloberfläche angeordnet sind, kann dieselbe Technik benutzt werden, falls die Kapazitäten zwischen den Elektroden und den Kristalloberflächen durch einen gleichen Betrag von Serienirtduktanz-Reaktanz ausgeglichen werden. Durch Anschluß eines linear veränderlichen Blindleitwertes irgendeiner bekannten Bauart an die dem Kristall abgewandten Enden (wobei der benutzte veränderliche Blindleitwert entweder kapazitiv oder induktiv, positiv oder negativ sein kann) kann die Resonanzfrequenz im wesentlichen linear geändert X05 werden-, z. B. für die Frequenzmodulation. Schwingungen können naturgemäß auch durch Parallelschaltung eines geeigneten negativen Wilderstandes erhalten werden.

Praktisch wird die Induktanz L₁ auch einen gewissen Qhimschen Widerstand aufweisen, der als Serienwiderstand aufgefaßt werden kann. Es läßt sich zeigen, daß die Wirkung desselben darin besteht, daß er parallel zu den Anschlüssen einen Verlustwiderstand einführt, der seinen Maximailwert erreicht, wenn C₁ auf Null herabgesetzt wird. Es ist daher manchmal zweckmäßiger, die sich hieraus ergebende Frequenz als Mittelfrequenz zu wählen, um die die Modulation oder Änderung hervorgerufen wird, an Stelle der Serienresonanzfrequenz des Kristalls. In einem solchen Fall wird der eingeführte Verluistwiderstand nahezu umgekehrt proportional dem Quadrat der Frequenzänderung sein. Dadurch wird bei Verdoppelung der Modulationsfrequenz leicht eine Amplitudenmodulation auf- treten. In einigen Fällen kann es notwendig oder

wünschenswert sein, eine solche Amplitudenmodulation durch bekannte Mittel auszuschließen, ζ. B. durch Amplitudenbegrenzer oder selbsttätige Verstärkungsregelung in einem angeschlossenen geeigneten Stromkreis.

Es ist zu beachten, daß die Gleichung ω² L₁C₁= ι nur für eine einzige Frequenz erfüllt werden kann; doch sind die so bedingten Fehler vernachilässigbar, wenn die Frequenzänderung nijcht mehr als einige Teile von Tausend beträgt.

Abb. 4 zeigt ein anderes Ausführungisbeispiel, das für den Impedanzumkehrer /A^r der Abb. 2 eingesetzt werden kann. Es besteht aus einem Leiterstück mit einer Induktanz gleich i/a>²C₀ parallel zum Kristall, wodurch C₀ angenähert auszugleichen sein wird. In Abb. 4, die im wesentlichen von selbst verständlich sein dürfte, ist ein koaxialer Leiter dargestellt, doch sind auch andere Ausführungsformen möglich.

Bei den oben beschriebenen Schaltungen wird die Neigung zu Schwingungen bei einer Stabfrequenz bestehen, die anders ist als die gewünschte Frequenz. Um solche unerwünschten Schwingungen zu unterdrücken, kann ein Widerstand in Reihe mit einem ParallelsehAvingkreiis und in Resonanz mit der Kriställmittelfrequenz zwischen die Anschlüsse geschaltet werden. Der Widerstand wird so eingestellt, daß er bei der unerwünschten Stabfrequenz eine maximale Last darstellt, während er bei der gewünschten Frequenz nur eine kleine Belastung ergibt.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Anordnung zur Modulation der von einem piezoelektrischen Kristall bestimmten Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall mit dem die Modulation bewirkenden Blindleitwert über einen Leiter mit impedanzumkehrenden Eigenschaften, insbesondere einem solchen von einem Viertel oder einem ungeraden Vielfachen der Wellenlänge, verbunden ist.

2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel mit negativem Widerstand zur Aufrechterhai tunig der Schwingung parallel zu den Mitteln geschaltet sind, die einen veränderlichen Blindleitwert liefern.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzumkehrer ein passives Netzwerk ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanziumkehrer ein Stück eines Rohrieiters oder eines ähnlichen Leiters, ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen