Oszillator Klasse A

VCO heißt Voltage Controlled Oscillator — spannungsgesteuerter Oszillator. Seine Frequenz wird über eine Steuerspannung eingestellt, meist über eine Kapazitätsdiode im Schwingkreis.

Kniff: Der VCO ist das Stellglied jeder PLL: Der Phasenvergleicher liefert die Spannung, der VCO folgt. Allein betrieben ist er nicht besonders frequenzstabil.

Warum die anderen nicht stimmen:

• quarzstabilisierter Referenzoszillator. – Das ist ein XO. Ein Quarz lässt sich gerade nicht über einen weiten Bereich verstimmen.
• Oszillator, der mittels eines Drehkondensators abgestimmt wird. – Das ist ein mechanisch abgestimmter VFO. Beim VCO stimmt eine Spannung ab, kein Drehknopf.
• variabler Quarzoszillator. – Das ist ein VXO. Der lässt sich nur um wenige Promille um die Quarzfrequenz ziehen.

TCXO heißt Temperature Compensated Crystal Oscillator. Ein Glied in der Schaltung zieht die Frequenz genau so weit, wie der Quarz durch die Temperatur wegdriftet — der Fehler wird ausgeglichen, nicht verhindert.

Kniff: Kompensieren und Heizen sind zwei verschiedene Wege. Der TCXO rechnet den Fehler heraus, der OCXO hält den Quarz auf konstanter Temperatur. Der OCXO ist besser, braucht aber Strom und Anlaufzeit.

Warum die anderen nicht stimmen:

• Oszillator, der auf konstanter Temperatur gehalten wird. – Das ist der OCXO mit seinem beheizten Ofen.
• kapazitiv abgestimmten Quarzoszillator. – Das ist ein VXO oder ein VCXO — abgestimmt, nicht kompensiert.
• temperaturkompensierten LC-Oszillator. – Das X in TCXO steht für den Quarz (crystal). Ein LC-Oszillator wäre um Größenordnungen unstabiler.

Die Buchstaben sind aus dem Englischen zusammengesetzt: TC für temperature compensated, X für crystal, O für oscillator.

Kniff: Nach demselben Muster: OCXO = oven controlled, also beheizt. VCO = voltage controlled, ohne X und damit ohne Quarz. VFO = variable frequency, der freilaufende Abstimmoszillator.

Warum die anderen nicht stimmen:

• VCO – Spannungsgesteuerter Oszillator. Mit Temperaturkompensation hat er nichts zu tun.
• OCXO – Der beheizte Quarzoszillator. Er hält die Temperatur konstant, statt den Fehler auszugleichen.
• VFO – Der freilaufende, abstimmbare Oszillator — in aller Regel ohne Quarz.

Im 3-cm-Band liegt die Frequenz bei rund 10 GHz. Jede Abweichung der Referenz wird bis dorthin mit vervielfacht — schon ein Millionstel sind dort 10 kHz.

Kniff: Bei SSB muss die Frequenz auf wenige hundert Hertz genau stimmen, sonst wird die Stimme unverständlich. Bei 10 GHz bleibt damit nur eine quarzstabile und temperaturkompensierte Referenz.

Warum die anderen nicht stimmen:

• VCO – Für sich allein ist ein VCO nicht frequenzstabil. Er braucht eine Regelung mit einer stabilen Referenz — und die wäre dann wieder ein TCXO.
• LC-Oszillator – Ein LC-Kreis driftet schon auf Kurzwelle deutlich. Auf 10 GHz vervielfacht wäre er unbrauchbar.
• RC-Oszillator – Der ist noch unstabiler als ein LC-Oszillator und arbeitet ohnehin nur im Niederfrequenzbereich.

Die größte Drift eines Quarzes kommt von der Temperatur. Wer ihn in einem beheizten Ofen bei konstanter Temperatur hält, nimmt die Ursache weg statt sie auszugleichen.

Kniff: Die Reihenfolge nach Stabilität: OCXO vor TCXO vor XO vor VCO. Noch besser wird es nur mit einer Referenz von außen, etwa über GPS.

Warum die anderen nicht stimmen:

• XO – Ein einfacher Quarzoszillator ohne jede Kompensation. Besser als LC, aber schlechter als TCXO und OCXO.
• VCO – Der unstabilste der vier — er ist zum Verstimmen gebaut, nicht zum Stillstehen.
• TCXO – Gut, aber der Fehler wird nur ausgeglichen. Der OCXO lässt ihn gar nicht erst entstehen.

Im GPSDO arbeitet ein guter Oszillator, der langsam auf das Zeitsignal der Satelliten nachgeführt wird. Kurzfristig trägt ihn sein eigener Schwungrad-Charakter, langfristig hält ihn die Referenz von außen auf der Spur.

Kniff: Das Wort "extern" ist der Schlüssel: Die Genauigkeit kommt von außen, aus dem Satellitensignal. Genau deshalb reicht sie an Werte heran, die ein Oszillator allein nie erreichen würde.

Warum die anderen nicht stimmen:

• Er hat eine hohe Kurz- und niedrige Langzeitstabilität durch ein internes Referenzsignal. – Dann wäre der Anschluss an GPS sinnlos — gerade die Langzeitstabilität ist das, was er bringt.
• Er hat eine hohe Kurz- und Langzeitstabilität durch ein internes Referenzsignal. – Das D in GPSDO steht für disciplined: geführt von außen. Eine interne Referenz allein driftet über Tage und Wochen weg.
• Er hat eine niedrige Kurz- und hohe Langzeitstabilität durch ein externes Referenzsignal. – Die Kurzzeitstabilität ist gerade nicht niedrig — dafür sorgt der eingebaute Oszillator, der die Sekundentakte überbrückt.

Ein VFO ist ein Schwingkreis mit einem aktiven Bauteil. Ändert sich seine Betriebsspannung, ändern sich Arbeitspunkt und Sperrschichtkapazitäten — und damit die Frequenz.

Kniff: Die Betriebsspannung ist die häufigste Ursache für Frequenzwandern. Beim Tasten bricht sie kurz ein, und genau daraus entsteht der Chirp aus AD609.

Warum die anderen nicht stimmen:

• Er sollte in einem verlustarmen Teflongehäuse untergebracht sein. – Das Gehäusematerial ändert an der Frequenzstabilität nichts Nennenswertes. Wichtig ist ein Metallgehäuse zum Schirmen, nicht ein verlustarmes.
• Er sollte mit einer unstabilisierten Wechselspannung versorgt werden. – Ein Oszillator braucht Gleichspannung. Mit Wechselspannung würde er im Netztakt moduliert.
• Er sollte in einem Pertinaxgehäuse untergebracht sein. – Auch hier: Das Material ist nicht entscheidend, und Pertinax schirmt überhaupt nicht.

Was konstant bleiben muss, ist die SPANNUNG am Oszillator. Der Strom stellt sich dabei von selbst ein.

Kniff: Stromstabilisiert und spannungsstabilisiert sind nicht dasselbe. Eine Stromquelle hielte den Strom fest und ließe die Spannung wandern — genau das, was hier nicht sein darf.

Warum die anderen nicht stimmen:

• Stromstabilisierte Gleichspannung – Bei fest gehaltenem Strom schwankt die Spannung mit der Last. Der Oszillator reagiert auf die Spannung.
• Unmittelbare Stromzufuhr vom Gleichrichter – Direkt hinter dem Gleichrichter ist die Spannung voller Brumm und lastabhängig — das Schlechteste für einen VFO.
• Stabilisierte Wechselspannung – Ein Oszillator wird mit Gleichspannung betrieben. Wechselspannung würde ihn im Takt der Netzfrequenz modulieren.

Chirp ist ein hörbares Ziehen der Tonhöhe beim Tastanfang. Es entsteht, wenn beim Tasten die Betriebsspannung kurz einbricht und der Oszillator diesem Einbruch mit seiner Frequenz folgt.

Kniff: Die Abhilfe ist immer dieselbe: Der Oszillator darf nicht mitgetastet werden, und seine Spannung muss eigens stabilisiert und entkoppelt sein. Getastet wird eine Stufe dahinter.

Warum die anderen nicht stimmen:

• Durch zu steile Flanken des Tastsignals. – Steile Flanken erzeugen Tastklicks — ein knackendes Geräusch neben der Frequenz, nicht ein Ziehen der Tonhöhe.
• Durch Amplitudenänderungen des Oszillators, weil die Tastung in der falschen Stufe erfolgt. – Chirp ist eine Frequenz-, keine Amplitudenerscheinung. Der Hinweis auf die falsche Stufe stimmt zwar, die genannte Wirkung aber nicht.
• Durch zu schnelle Tastung der Treiberstufe. – Die Gebegeschwindigkeit hat mit Chirp nichts zu tun. Ein Chirp ist auch beim langsamsten Geben zu hören.

Eine Pufferstufe entkoppelt: Sie hat einen hohen Eingangs- und einen niedrigen Ausgangswiderstand und lässt nichts von der Last auf den Oszillator zurückwirken.

Kniff: Ohne Puffer zieht jede Laständerung dahinter die Frequenz. Deshalb steht hinter jedem ordentlichen VFO ein Emitterfolger oder eine ähnliche Stufe — nicht wegen der Verstärkung, sondern wegen der Entkopplung.

Warum die anderen nicht stimmen:

• Er sollte direkt an einen HF-Leistungsverstärker angeschlossen sein. – Das ist der schlimmste Fall: Die Endstufe belastet und zieht den Oszillator, und über die Rückwirkung wird die Frequenz unstabil.
• Er sollte an ein passives Hochpassfilter angeschlossen sein. – Ein Filter kann Oberwellen unterdrücken, entkoppelt aber nicht. Die Last wirkt weiter auf den Oszillator zurück.
• Er sollte an ein passives Notchfilter angeschlossen sein. – Ein Notch entfernt eine einzelne Frequenz — hier sinnlos, und entkoppeln tut er ebenso wenig.

Ein Oszillator ist eine schwingende Schaltung an der Grenze der Selbsterregung. Jedes Signal, das von außen hineingerät, zieht ihn — die Frequenz beginnt zu wandern oder rastet auf dem Störer ein.

Kniff: Die Abhilfe heißt schirmen, entkoppeln, puffern. Genau davon handeln die Nachbarfragen AD610 und AD612.

Warum die anderen nicht stimmen:

• Mehrwegeausbreitung führen. – Das ist eine Erscheinung der Funkwellenausbreitung und hat mit der Schaltung nichts zu tun.
• Frequenzsynthese führen. – Synthese ist ein gewolltes Verfahren zur Frequenzerzeugung, keine Folge einer Störung.
• Gegenkopplung führen. – Gegenkopplung ist eine gewollte, phasenrichtig ausgelegte Rückführung, die den Verstärker stabiler macht. Eine ungewollte Einstreuung ist etwas anderes.

Die Endstufe zieht ihren Strom im Takt der Hochfrequenz. Auf einer gemeinsamen Versorgungsleitung entsteht daraus ein Wechselanteil, der bis zum VFO gelangt und ihn moduliert.

Kniff: Zwei Maßnahmen zusammen: sieben und trennen. Drossel und Kondensatoren halten die Hochfrequenz zurück, ein eigener Regler trennt die beiden Zweige voneinander.

Warum die anderen nicht stimmen:

• Sie muss möglichst direkt an die Spannungsversorgung der PA angekoppelt werden. – Genau das Gegenteil. Je enger die Kopplung, desto stärker die Rückwirkung.
• Sie darf nicht mit der Masseleitung der PA verbunden werden. – Ein gemeinsamer Massebezug muss sein, sonst gibt es keinen definierten Bezugspunkt. Entkoppelt wird die Versorgung, nicht die Masse aufgetrennt.
• Die durch die PA hervorgerufenen HF-Überlagerungen auf der VFO-Stromversorgung müssen mit einem Hochpass gefiltert werden. – Ein Hochpass ließe gerade die Hochfrequenz durch und würde die Gleichspannung sperren. Gebraucht wird das Umgekehrte: ein Tiefpass.

Zwei Bedingungen müssen gleichzeitig erfüllt sein: Das zurückgeführte Signal muss GLEICHPHASIG ankommen, und die Verstärkung in der Schleife muss mindestens 1 betragen. Dann trägt sich die Schwingung selbst.

Kniff: Gleichphasig ist der Kern — gegenphasig wäre Gegenkopplung und würde die Schwingung gerade auslöschen. Und "mindestens 1": Bei weniger klingt sie ab, bei mehr wächst sie, bis die Schaltung begrenzt.

Warum die anderen nicht stimmen:

• Die Schleifenverstärkung des Signalwegs im Oszillator muss größer als 1 sein, und das Ausgangssignal muss über den Rückkopplungsweg in der Phase so gedreht werden, dass es gegenphasig zum Ausgangspunkt zurückgeführt wird. – Gegenphasig ist Gegenkopplung. Damit schwingt nichts, im Gegenteil.
• Die Schleifenverstärkung des Signalwegs im Oszillator muss kleiner als 1 sein, und das entstehende Oszillatorsignal darf auf dem Rückkopplungsweg nicht in der Phase gedreht werden. – Bei einer Schleifenverstärkung unter 1 klingt jede Schwingung ab. Ungedämpft bleibt sie erst ab 1.
• Die Grenzfrequenz des verwendeten Verstärkerelements muss mindestens der Schwingfrequenz des Oszillators entsprechen, und das entstehende Eingangssignal muss über den Rückkopplungsweg wieder gegenphasig zum Eingang zurückgeführt werden. – Dass das Bauteil schnell genug sein muss, ist eine Voraussetzung, aber keine Schwingbedingung. Und gegenphasig zurückgeführt schwingt es ohnehin nicht.

Kniff: Die beiden Kondensatoren in Reihe am Schwingkreis sind kein Zufall: ihre Anzapfung geht auf den Emitter, die Oberseite auf die Basis, die Unterseite über die Abblockung auf den Kollektor. Damit sind alle drei Anschlüsse des Transistors an drei Punkten des Kreises — Dreipunktschaltung, die Rückkopplung läuft über den kapazitiven Teiler. Einen Signaleingang gibt es nicht, nur einen Ausgang.

Warum die anderen nicht stimmen:

• einen Hochfrequenzverstärker in Kollektorschaltung. – Die Betriebsart stimmt (Kollektor an AC-Masse, Auskopplung am Emitter), aber ein Verstärker bräuchte einen Signaleingang. Hier führt der kapazitive Teiler vom Emitter auf die Basis zurück und schließt die Schleife — die Stufe schwingt selbst.
• einen Oberton-Oszillator in Kollektorschaltung. – Ein Oberton-Oszillator arbeitet mit einem Quarz auf einer seiner Oberwellen. Ein Quarz ist nicht gezeichnet, frequenzbestimmend sind Spule und Drehkondensator.
• einen Hochfrequenzverstärker in Emitterschaltung. – In Emitterschaltung läge der Emitter über einen Kondensator an Masse und der Ausgang am Kollektor. Hier ist es umgekehrt: der Emitterwiderstand ist nicht überbrückt, ausgekoppelt wird am Emitter, und der Kollektor liegt an der abgeblockten Plusleitung.

Kniff: Auskoppeln heißt Belasten. Am heißen Ende des Schwingkreises (A) und an der Basis (C) bestimmt die Belastung mit, wie der Kreis schwingt — jede Änderung der Last zieht Frequenz und Güte mit. Der Emitter bei D ist der niederohmige Ausgang der Stufe: dort kann Leistung abgenommen werden, ohne dass der Schwingkreis es merkt. B ist überhaupt kein Hochfrequenzpunkt, sondern die für HF durch den Kondensator kurzgeschlossene Versorgungsleitung.

Warum die anderen nicht stimmen:

• Schaltungspunkt A – A hängt unmittelbar am Schwingkreis. Eine Last dort dämpft ihn, senkt die Güte und verstimmt die Frequenz; sobald sich die Last ändert, wandert der Sender.
• Schaltungspunkt B – B liegt auf der Versorgungsleitung hinter dem Entkopplungswiderstand. Der Kondensator links schließt sie für HF gegen Masse kurz — dort steht Gleichspannung, aber kein Hochfrequenzsignal.
• Schaltungspunkt C – C ist die Basis, also der Eingang der Stufe, und über den Koppelkondensator praktisch der Schwingkreis selbst. Eine Last dort raubt der Rückkopplung Signal und die Schwingung setzt aus oder wird verstimmt.

Kniff: Zwei Kondensatoren in Reihe vom Schwingkreis zur Minusleitung, der Emitter am Abgriff: das ist ein Spannungsteiler für die HF-Spannung des Kreises. Ein Teil davon geht auf den Transistor zurück — die Rückkopplung, die die Schwingung unterhält (Colpitts). Das Teilverhältnis C₁ zu C₂ legt fest, wie viel zurückkommt. Mit Vorspannungen haben die beiden nichts zu tun, die macht der Widerstandsteiler.

Warum die anderen nicht stimmen:

• C₁ stabilisiert die Basisvorspannung und C₂ die Emittervorspannung. – Abblockkondensatoren für Vorspannungen lägen jeder einzeln von seinem Knoten nach Masse. Diese beiden liegen dagegen in Reihe mit einem Abgriff in der Mitte, und an der Basis hängt C₁ gar nicht — dazwischen liegt noch der Koppelkondensator. Die Vorspannung liefert der Widerstandsteiler.
• Sie bilden in der dargestellten Audionschaltung die notwendige Rückkopplung. – Die Rolle ist richtig erkannt, die Schaltung nicht. Ein Audion demoduliert ein empfangenes Signal und braucht dafür einen Signaleingang und einen NF-Ausgang. Hier geht nichts hinein, die Stufe liefert nur etwas ab: ein Oszillator.
• C₁ kompensiert die Basis-Kollektor-Kapazität und C₂ die Basis-Emitter-Kapazität. – Eine Neutralisation müsste gegenphasig über den Transistor hinweg geschaltet sein, etwa vom Kollektorkreis zurück auf die Basis. Diese beiden liegen aber in Reihe vom Schwingkreis zur Minusleitung; außerdem geht es bei Sperrschichtkapazitäten um wenige pF, nicht um die Rückkopplungskondensatoren eines Oszillators.

Kniff: Welche Schaltung vorliegt, entscheidet die Elektrode, die hochfrequenzmäßig auf Masse liegt, nicht die, an der etwas herauskommt. Der Kollektor geht ohne Widerstand an die Plus-Schiene, und die ist über den Kondensator abgeblockt — also liegt der Kollektor auf HF-Masse: Kollektorschaltung. Der Emitter kann es nicht sein, an ihm hängt der Ausgang und sein Widerstand ist nicht überbrückt. Für einen Oberton bräuchte es außerdem einen auf diesen Oberton abgestimmten Schwingkreis, der die Grundwelle unterdrückt; hier gibt es nur Kondensatoren und eine Drossel, keinen Kreis. Damit bleibt die Grundfrequenz.

Warum die anderen nicht stimmen:

• Emitterschaltung. Der Quarz wird in Serienresonanz betrieben. – Schon die Schaltungsart ist falsch. Für eine Emitterschaltung müsste der Emitter auf HF-Masse liegen, also ein Kondensator parallel zum Emitterwiderstand. Der fehlt, und stattdessen wird am Emitter das Signal abgenommen.
• Emitterschaltung. Der Quarz wird in Parallelresonanz betrieben. – Auch hier ist die Schaltungsart falsch: nicht der Emitter, sondern der Kollektor liegt über die abgeblockte Plus-Schiene auf HF-Masse. Der Drehkondensator in Reihe zum Quarz gehört zur Betriebsart des Quarzes und sagt nichts über Emitter- oder Kollektorschaltung.
• Kollektorschaltung. Der Quarz schwingt auf dem dritten Oberton. – Die Kollektorschaltung ist richtig erkannt, der Oberton nicht. Ein Obertonoszillator braucht einen Schwingkreis, der auf die Nähe des Obertons abgestimmt ist und die Grundwelle unterdrückt. Die einzige Spule im Bild ist die Drossel in der Zuleitung, und die ist mit keinem Kondensator zu einem Kreis zusammengeschaltet.

Kniff: Punkt 3 ist der Emitter und damit die Anzapfung des kapazitiven Teilers, der die Frequenz mitbestimmt. Ein Tastkopf bringt seine Eingangskapazität (einige 10 pF beim 1:1-Kabel) parallel dazu. Jedes zusätzliche pF im Rückkopplungsteiler zieht die Frequenz — gemessen wird dann nicht mehr der Zustand, den man messen wollte.

Warum die anderen nicht stimmen:

• Der Quarz wird überlastet. – Ein Tastkopf entnimmt nur winzige Leistung und speist keine ein. Überlastet wird ein Quarz durch zu hohen Ansteuerpegel in der Schaltung selbst, nicht durch das Anlegen eines Messgeräts.
• Der Transistor wird überlastet. – Der Tastkopf ist hochohmig; der Strom, den er zieht, liegt weit unter dem Emitterstrom. Am Arbeitspunkt des Transistors ändert sich dadurch nichts.
• Es gibt keine Auswirkungen. – Das wäre nur bei einem völlig unbelasteten Messpunkt richtig. Punkt 3 liegt an der Anzapfung des kapazitiven Teilers, also mitten im frequenzbestimmenden Netzwerk — die Kapazität des Tastkopfs wirkt dort voll.

Kniff: Messen heißt belasten. Man sucht den Punkt, der dieselbe Frequenz führt, aber vom frequenzbestimmenden Netzwerk entkoppelt ist. Das ist der Ausgang der Pufferstufe hinter dem Koppelkondensator: Punkt 4. Die Kapazität des Tastkopfs landet dort am Kollektorwiderstand des zweiten Transistors, nicht am Schwingkreis.

Warum die anderen nicht stimmen:

• 1 angelegt werden. – Punkt 1 liegt zwischen Quarz und Drehkondensator, also genau in dem Zweig, mit dem die Frequenz eingestellt wird. Die Kapazität des Tastkopfs addiert sich zum Drehkondensator und verstimmt.
• 2 angelegt werden. – Punkt 2 ist die Basis, unmittelbar am Quarz und am kapazitiven Teiler. Dort belastet der Tastkopf die Schwingung am empfindlichsten — der Oszillator kann sogar abreißen.
• 3 angelegt werden. – Punkt 3 ist der Emitter und damit die Anzapfung des Rückkopplungsteilers. Genau dafür fragt die Nachbarfrage AD618: dort verändert sich die Oszillatorfrequenz.

Kniff: Die Frequenz entsteht hier nicht in einem Oszillator, sondern rechnerisch: der Zähler läuft mit dem Takt durch die Adressen, die Tabelle liefert zu jeder Adresse den zugehörigen Sinuswert, der D/A-Umsetzer macht daraus eine Spannung. Genau das ist direkte digitale Synthese. Die Erkennungsmerkmale in der Zeichnung sind Tabelle, Bus und D/A-Umsetzer.

Warum die anderen nicht stimmen:

• PLL (Phase Locked Loop) – Eine PLL braucht Phasenvergleicher, Schleifenfilter, spannungsgesteuerten Oszillator und einen Teiler in der Rückführung. Nichts davon ist gezeichnet; die einzige Leitung nach hinten ist der Takt zum Register, keine Regelschleife.
• VFO (Variable Frequency Oszillator) – Ein VFO ist ein einzelner Oszillator, dessen Schwingkreis verstimmt wird. Hier gibt es keinen Schwingkreis und kein Stellglied — die Frequenz hängt vom Takt und der Schrittweite des Zählers ab.
• VCO (Voltage Controlled Oszillator) – Ein VCO wird über eine Steuerspannung gezogen. In der Zeichnung ist kein solcher Steuereingang vorhanden; gesteuert wird digital über den Adresszähler.