Стабилизация частоты генераторов типа LC. Кварцевые генераторы

Необходимо отметить, что определенные отклонения частоты любой схемы генерации могут происходить за счет изменения работы и параметров элементов схемы, в частности под влиянием температуры, нестабильности напряжения питания и других усилительных каскадов.

Нестабильность частоты генерации обратно пропорциональна добротности контура (1/0. Поэтому использование высококачественного стабилизатора напряжения для питания генератора является одним из факторов, обеспечивающих высокую стабильность частоты генерации.

При увеличении температуры окружающей среды увеличиваются индуктивность катушки и емкость конденсатора, что также приводит к снижению частоты генерации. Поэтому для повышения стабильности частоты генератора вводят температурную стабилизацию выбранного режима покоя усилительных каскадов, а также применяют средства, компенсирующие температурные изменения частоты. Одним из методов компенсации можно считать введение в колебательный контур конденсаторов с зависимой от температуры емкостью (например, тикондовые с отрицательным ТКЕ). На рис. 10.24 показан такой колебательный контур, работающий в широком диапазоне температур. Параллельно основному контурному конденсатору С в качестве элемента термокомпенсации включен тикондовый конденсатор С_к, емкость которого уменьшается с ростом температуры. Температурные влияния уменьшают также путем размещения колебательного контура в герметических термостатах. Рациональным размещением усилительных элементов и экранированием исключают взаимное электромагнитное влияние между элементами схемы.

Рис. 10.24. Схема параллельного контура с термокомпенсационным конденсатором

Температурную стабильность частоты количественно оценивают с помощью температурного коэффициента частоты (ТКЧ), равного относительной нестабильности частоты Af/f при изменении температуры на 1 °С. Температурный коэффициент частоты транзисторных LC-генераторов обычно составляет (1—2)10^-4.

Все вышеперечисленные способы повышения стабильности частоты генерации относятся к параметрической стабилизации, т.е. за счет подбора элементов схемы по определенным параметрам.

Более высокую стабилизацию частоты можно получить при кварцевой стабилизации — в схемах кварцевых генераторов, где в качестве высокодобротного колебательного контура со стабильными параметрами используется пластина кварца (кварцевый резонатор), обладающая пьезоэлектрическими свойствами.

Для изготовления кварцевых резонаторов используют природный или искусственный монокристаллический кварц — пьезоэлектрик, т.е. кристаллический диэлектрик, способный поляризоваться под действием механического напряжения и деформироваться под действием приложенного внешнего электрического поля.

Кварцевый резонатор представляет собой тонкую кварцевую пластину прямоугольной или круглой формы, которая установлена в кристаллодержателе с выводами для подключения напряжения.

При подключении переменного напряжения к кварце держателю между его пластинами возникает электрическое поле, действующее на кварцевую пластину. В пластине возникают периодические механические деформации (колебания), изменяющие форму и размер пластины, т.е. пластина сжимается и разжимается. Такое свойство пластины пьезоэлектрика называется обратным пьезоэффектом. Возможные виды механических колебаний кварцевой пластины представлены на рис. 10.25.

Рис. 10.25. Виды колебаний кварцевых пластин: а — сжатие-растяжение; б — изгиб; в — кручение

Возникшие в пластине механические колебания в свою очередь вызывают появление разноименных электрических зарядов на ее гранях пропорционально приложенному напряжению. Знак зарядов на гранях изменяется с частотой механических колебаний. В результате через пластину протекает переменный электрический ток. Это свойство пластины называется прямым пьезоэффектом.

Такие колебания возможны как на основной резонансной частоте кварца, определяемой его геометрическими размерами и видом срезов относительно кристалла, так и на различных гармониках, кратных этой частоте.

Прежде чем вырезанная пластина кварца превратится в резонатор, она проходит ряд сложнейших технологических операций. Поэтому под кварцевым резонатором подразумевается законченое устройство, способное совершать резонансные колебания под действием электрического поля соответствующей частоты и содержащее кварцевый элемент, кварцедержатель и электроды.

Если на пластину действует переменное электрическое поле, пластина превращается в электромеханическую колебательную систему, обладающую резонансными свойствами (действует обратный пьезоэффект). В области резонанса кварцевый резонатор эквивалентен электрическому колебательному контору (действует прямой пьезоэффект), в котором протекает максимальный ток. Поэтому для проведения электрических расчетов кварцевый резонатор при резонансе можно представить в виде последовательного контура с сосредоточенными параметрами L_K, С_к и г_к и параллельно подключенной к нему емкостью, эквивалентной емкости квар- цедержателя С₀ (рис. 10.26, а). Резонанс наступает, когда частота механических колебаний пластины совпадает с частотой внешнего электрического поля.

Параметры элементов, входящих в эквивалентную схему кварцевого резонатора, зависят от вида колебаний (см. рис. 10.25), размеров электродов, размеров пластин кварца и кварцедержателя.

Рис. 10.26. Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора (а); характеристики зависимости реактивного (б) и полного (в) сопротивления

от частоты

Кварцевый резонатор, как видно из его эквивалентной схемы, представляет собой последовательный (L_K, С_к, г_к) и параллельный (L_K, С_к, г_к, С₀) контуры и обладает двумя резонансными частотами — последовательного контура со_посл = l ^L^C~ и параллельного

w = L,, —^{0 к} , при r_v = 0. Конденсатор С_п характеризует ^пар / V ^со^+ск

емкость кварцедержателя и имеет величину порядка нескольких пикофарад. Емкость кварца С_к в сотни раз меньше эквивалентной емкости кварцедержателя С₀, поэтому собственная резонансная частота кварца, как последовательного контура, ю_ПОСГ1 близка к собственной резонансной частоте эквивалентного контура.

Поскольку С„ »С„, то частота параллельного резонанса ю_п.._п отличается от частоты последовательного резонанса ю_ПОСГ1 незначительно и относительный разнос их составляет

Полное сопротивление кварцевого резонатора определяется по формуле

Сравнивая формулы для резонансной частоты последовательного эквивалентного колебательного контура (со ) и параллельного

(«пар)5 ^можно сделать вывод о том, что резонансная частота последовательного контура меньше резонансной частоты параллель- ного контура (со_посл < ш_пар).

Характер изменения реактивного и полного сопротивления кварца от частоты (без учета активных потерь в кварце) показан на рис. 10.26, б. Из графиков видно, что в диапазоне частот со_посл < со < < со_пар реактивное сопротивление эквивалентного контура кварца имеет индуктивный характер, а в диапазонах со < (О_посл и со > > — емкостной.

Величина сопротивления потерь а*_к составляет единицы—десятки ом. Поэтому добротность кварца очень большая — 10⁵—10⁶, а это обеспечивает малое затухание и высокую стабильность частоты генерации. Так как кварцевые пластины имеют строго определенные размеры, то кварцевая стабилизация частоты применяется в генераторах генерирующих колебаний только фиксированной частоты, что является недостатком.

Условное обозначение кварцевого резонатора (пьезоэлектрического прибора) состоит из графического и символического (буквенно-числовой код) обозначений, установленных государственным стандартом ГОСТ 27124—86 и базирующихся на ряде классификационных признаков. Графическое обозначение используется для создания графических решений при построении электрических схем.

Графическое обозначение (рис. 10.27) кварцевого резонатора содержит:

— общее обозначение — базовый символ конденсатора — два параллельных отрезка длиной L = 8—10 мм, обозначающие квар- цедержатель;

Рис. 10.27. Условное обозначение кварцевого резонатора

— дополнительное обозначение, как отличительная особенность кварцевых генераторов, — светлый прямоугольник с размерами: ширина h = 2 мм и длина L = 10—12 мм, который расположен между двумя отрезками символа конденсатора и обозначает кристалл кварца.

Буквенно-числовой код (символическое обозначение) имеет два вида: буквенно-символическое обозначение возле графического обозначения кварцевого резонатора и буквенно-числовой код обозначения пьезоэлектрического прибора (маркировку), классифицирующие пьезоэлектрические приборы по определенным признакам в справочниках.

В схемах рядом с графическим обозначением указываются символы: BQ1, где BQ (КР) — пьезоэлемент (кварцевый резонатор), 1 — порядковый номер прибора в схеме.

Промышленность выпускает несколько типов пьезоэлектрических резонаторов, имеющих буквенно-числовой код в системе обозначений (маркировку), который классифицирует резонаторы по определенным типономиналам в справочниках. Полное условное обозначение, присваиваемое конкретным резонаторам, должно состоять из следующих элементов:

первый элемент — буквы РК (резонатор кварцевый); второй элемент — двух- или трехзначное число, обозначающее регистрационный номер типов резонатора (01, 02, 03, ...), после второго элемента в обозначении некоторых типов кварцевых резонаторов указывается буква (сочетание двух букв), обозначающая (ие) вариант конструктивного исполнения (А, АА, БА и др.);

третий элемент — число, обозначающее класс точности настройки резонатора (1-й класс = ±0,5-10^-6, 22-й класс = ±5000-10^-6);

четвертый элемент — буква, обозначающая интервал рабочих температур резонатора (—10°...+60° — буква А, —10°...+80° — буква Ш, -20°...+70° — буква П и т.д.);

пятый элемент — буква, обозначающая класс максимального изменения рабочей частоты в интервале рабочих температуру (+0,Ы0^_6 — буква А, ±0,2* 10^—6 — буква Б и т.д.);

шестой элемент — буква, обозначающая единицу измерения частоты (кГц — буква К, МГц — буква М);

седьмой элемент — буква, обозначающая климатическое исполнение резонатора (В — всеклиматическое, У — умеренный климат, ХЛ — холодный климат).

Пример обозначения по ГОСТ 27124—86. Кварцевый резонатор РК16АА-13ДР-5М-В: РК — резонатор кварцевый, 16 — регистрационный номер типа резонатора, АА — конструктивное исполнение, 13 — класс точности настройки резонатора 13-й класс = ±10-10^-6, Д — интервал рабочих температур резонатора от —40 до +60 °С, Р — с максимальным изменением рабочей частоты ±25-10^-6, 5М — номинальная частота колебаний 5 МГц, В — всеклиматическое исполнение.

Принципы в основе создания кварцевых генераторов остаются теми же, что и для LC-генераторов.

Различают схемы кварцевых генераторов последовательного резонанса, в которых кварцевый резонатор эквивалентен активному сопротивлению, и осциллляторные, в которых кварцевый генератор эквивалентен индуктивности. Из схем последовательного резонанса наиболее распространены кварцевые генераторы с кварцевым резонатором в колебательном контуре, а из осцилляторных — кварцевые генераторы по схеме с емкостной трехточкой.

Таким образом, обеспечить высокую стабильность частоты генерации можно при включении кварцевого резонатора в колебательный контур или в цепь обратной связи. Для лучшей стабилизации желательно использовать частоту последовательного резонанса кварца. При этом важно, чтобы общее сопротивление цепи обратной связи было значительно меньше собственного активного (г_к) сопротивления кварцевого резонатора.

В осцилляторной схеме (рис. 10.28) колебательный LC-контур в цепи коллектора включен последовательно с усилительным элементом по схеме индуктивной трехточки с автотрансформаторной ПОС.

Рис. 10.28. Осцилляторная схема LC-генератора по схеме индуктивной трехточки с кварцевым резонатором в цепи ПОС

Кварцевый резонатор включен в цепь с индуктивной обратной связью по автотрансформаторной схеме между базой и контуром LC. Эту связь можно подключить непосредственно между базой и коллектором транзистора (в схеме на рис. 10.28 показано штрихами).

Для возбуждения колебаний на частоте (о_посл < со < со_пар необходимо, чтобы контур LC имел емкостное реактивное сопротивление. Для обеспечения емкостного характера сопротивления LC-контура его резонансная частота (со₀) должна лежать несколько выше частоты параллельного контура кварцевого резонатора (со_пар).

Кварцевый резонатор должен быть настроен на частоту генерации (оо_г) в пределах со_посл < сэ_г < оо_пар, т.е. его сопротивление должно быть эквивалентно индуктивности. При этих условиях схема (кварцевый резонатор и LC-контур) эквивалентна схеме емкостной трехтонки и относится к осцилляторным схемам.

При резонансе LC-контура его полное сопротивление велико, что позволяет получить в каскаде большой коэффициент усиления К^, а сопротивление кварцевого резонатора мало (последовательный резонанс), что обеспечивает низкое общее сопротивление цепи ПОС и контура и глубокую (почти 100%) ПОС.

Схема на рис. 10.29 также относится к осцилляторной схеме кварцевого генератора. Отличие лишь в том, что колебательный контур имеет емкостной характер со_г > со_пар за счет схемы емкостной трехтонки. Это упрощает возбуждение генератора. Колебательный контур включен параллельно транзисторному усилителю. Кварцевый резонатор стабилизирует частоту генерации по цепи положительной обратной связи.

Катушка индуктивность L2 в цепи коллекторной конструктивной нагрузки и L3 в цепи смещения защищают от замыкания переменной составляющей тока колебательного контура через источник питания. При их отсутствии переменная составляющая тока колебательного контура уменьшается за счет малого внутреннего сопротивления источника и не поступает на транзистор VT. В этом случае нарушается процесс восполнения потерь в контуре и возникновение колебаний невозможно.

Рис. 10.29. Осцилляторная схема LC-генератора по схеме емкостной трехтонки с кварцевым резонатором в цепи ПОС

Осцилляторная схема кварцевого генератора может быть построена и с кварцевым резонатором в колебательном контуре (рис. 10.30)

Рис. 10.30. Осцилляторная схема LC-генератора по схеме емкостной трехтонки с кварцевым резонатором в колебательном контуре как индуктивным элементом

Кварцевый резонатор в схеме эквивалентен индуктивности, следовательно, колебательный контур является емкостной трехтонкой. Сигнал ПОС снимается с конденсатора С2.

Так как кварцевый резонатор включен непосредственно в колебательный контур, то в данной схеме стабилизация частоты осуществляется непосредственно в контуре, а не в цепи обратной связи.

Рис. 10.31. Схема LC-генератора по схеме емкостной трехточки с кварцевым резонатором как активным элементом

Схема кварцевого генератора последовательного резонанса, когда кварцевый резонатор, как элемент колебательного контура, эквивалентен активному сопротивлению, показана на рис. 10.31. Колебательный контур настроен на последовательный резонанс “пост < ^wr ^и эквивалентен емкостному сопротивлению. В целом колебательный контур представляет собой схему емкостной трехточки. Использование кварцевого резонатора, как активного сопротивления LC-контура, повышает добротность генератора, так как активное сопротивление кварца очень мало.