Відносна нестабільність частоти автогенераторів, виконуваних на резонаторах у вигляді LC-контурів, зазвичай не нижче 10 -3. 10 -4. Стабільність частоти генератора істотно залежить від добротності і стабільності коливальні системи. Добротність LC-контура зазвичай не вище 200. 300. До сучасних радіопередавачам і приймачів пред'являються більш високі вимоги по стабільності частоти. Звичайно потрібно довготривала відносна нестабільність частоти не гірше ніж 10 -6. 10 -8. що можна забезпечити, застосовуючи кварцові резонатори. Добротність кварцових резонаторів у багато разів перевищує добротність резонаторів на LC-контурах і становить 10 4. 10 6.
Існує багато схем кварцових автогенераторів. Тому виникла необхідність розглянути найбільш часто застосовуються на практиці схеми. Загальноприйнята еквівалентна схема кварцового резонатора зображена на рис.1. Динамічна індуктивність Ls, динамічна ємність Cs і опір втрат Rs обумовлені наявністю прямого і зворотного п'єзоефекту і резонансними властивостями пьезоелемента. Паралельна ємність Ср обумовлена Міжелектродні ємністю пьезоелектрика, ємністю корпусу і монтажу. Резонансна частота динамічної гілки називається частотою послідовного резонансу кварцового резонатора Fs.
Puc.1
Добротність кварцового резонатора Q визначається динамічної гілкою відповідно до формули для послідовного коливального контуру
Частота паралельного резонансу Fp трохи вище Fs, що обумовлено паралельним резонансом Ср, Cs і Ls. Важливим параметром кварцового резонатора є ставлення його паралельної ємності до динамічної, що позначається г і зване ємнісним коефіцієнтом
За різними літературними джерелами, ємнісний коефіцієнт для АТ-зрізу кварцу дорівнює 220. 250. З огляду на, що Cs / Cp<0,1, можно пользоваться приближенным выражением для частоты параллельного резонанса
Для ємнісного коефіцієнта г> 25 резонансний інтервал, який визначається як різниця між частотами паралельного і послідовного резонансів кварцового резонатора, можна записати у вигляді
На механічних гармоніках кварцового резонатора резонансний інтервал зменшується і визначається виразом
де n - номер гармоніки.
Ємнісний коефіцієнт визначає величину резонансного проміжку резонатора, отже, девіацію частоти керованого кварцового генератора, стабільність частоти при зміні параметрів схеми, умови виникнення та підтримки коливань в схемі кварцового автогенератора. Для оцінки здатності кварцового резонатора збуджуватися, в деяких схемах кварцових генераторів використовують параметр, званий фактором якості. Він визначається як відношення добротності резонатора до його ємкісному коефіцієнту
Для кварцових резонаторів значення М лежать в межах від 1 до 10000. При М<2 реактивное сопротивление резонатора оказывается положительным (емкостным) и не имеет области индуктивной реакции. Следовательно, возбуждение такого резонатора в схемах кварцевых генераторов, требующих индуктивной реакции, становится невозможным. При М>2 резонатор має область індуктивної реакції, і чим більше значення М, тим ця область ширше.
На практиці найширше поширені два види кварцових генераторів:
а) генератори, в яких кварцовий резонатор є частиною коливального контуру і еквівалентний індуктивності;
б) генератори, в яких кварцовий резонатор включений в ланцюг зворотного зв'язку, використовується як вузькосмуговий фільтр і еквівалентний активному спротиву.
Кварцові генератори, в яких кварцовий резонатор використовується в якості елемента контуру з індуктивної реакцій, називають осциляторний, а генератори, в яких кварцовий резонатор включений в ланцюг зворотного зв'язку, називають генераторами послідовного резонансу.
Осциляторний схема кварцового генератора з кварцом між колектором і базою, виконана за схемою з заземленим емітером (місткість трехточкі) приведена на рис.2.
В даний час ємнісної трехточкі знаходить широке застосування в діапазоні частот до 22 МГц при роботі резонатора на основній частоті, і до 66 МГц при порушенні на третій механічної гармоніці (рис.3). Автогенератор з кварцовим резонатором між колектором і базою в схемі із заземленим по високій частоті емітером, не схильний до паразитних коливань на ангармонічні обертонах, має чудову стабільність частоти при зміні напруги живлення і температури навколишнього середовища.
Вплив змін реактивних параметрів транзистора, що залежать від напруги живлення і часу, послаблюється з ростом ємностей С1, СЗ (рис.2), тобто з наближенням робочої частоти автогенератора до Fg. Однак надмірне збільшення ємностей призводить до погіршення умов самозбудження. З іншого боку, зі збільшенням ємностей зростає розсіюється на резонаторі потужність, що веде до збільшення нестабільності генерується частоти. За технічними умовами розсіює потужність на кварці обмежена 1. 2 мВт. Однак в діапазоні частот 1. 22 МГц при такій потужності, що розсіюється частота послідовного резонансу залежить від потужності, що розсіюється, а коефіцієнт пропорційності становить (0,5. 2) • 10-9 Гц / мкВт, тому для високостабільних генераторів рассеиваемую потужність на резонаторі слід обмежити величиною 0,1. 0,2 мВт.
На практиці рекомендується вибирати ємності С1, СЗ так, щоб частота генерації відстояла від Fs не більше ніж на чверть резонансного інтервалу. При порушенні кварцового резонатора на непарних механічних гармоніках кварцу, замість резистора R3 включають котушку індуктивності Lк (рис.3). На частоті генерації контур Lк-С4 повинен мати ємнісний опір, тобто його резонансна частота повинна бути нижче частоти генерації. Параметри контуру слід вибирати так, щоб його власна частота становила 0,7. 0,8 від частоти генерації. В результаті контур має емкостную провідність на частоті необхідної гармоніки, що виключає можливість генерації на нижчих гармониках і основній частоті.
У осциляторних генераторах, що працюють на частоті вище 22 МГц, резонатор зазвичай порушують на 3-й або 5-й гармоніці, але не на більш високих, так як сильно позначається вплив паралельної ємності. Частіше ніж наведена на рис.2, застосовується місткість трехточечная схема кварцового генератора з кварцовим резонатором між колектором і базою в схемі включення транзистора із заземленим колектором (рис.4). Ця схема особливо зручна для генераторів з електронною перебудовою частоти (при включенні послідовно з кварцем варикапа), і має меншу кількість блокувальних елементів, ніж схема з заземленим емітером. Багато фахівців в області кварцових генераторів вважають емкостную трехточкі найкращою з усіх схем кварцових генераторів, що працюють на основній або 3-й механічної гармоніці резонатора. Слід зазначити, що існує схема ємнісний трехточкі, яка не містить індуктивності, яка збуджується на 3-й і 5-й гармониках.
Автогенератор з кварцом в контурі. Якщо в схемі на рис.4 послідовно з кварцем включити котушку індуктивності L1, це призведе до появи нових властивостей, тобто в генераторі (рис.5) можливі автоколивання, що не стабілізовані кварцовим резонатором.
На високих частотах, де реактивний опір паралельної ємності резонатора менше реактивного опору динамічної гілки кварцового резонатора, можливо самозбудження через паралельну ємність Пор. Наявність індуктивності L1 означає можливість виконання балансу фаз на
частоті послідовного резонансу, а також в деякій області расстроек нижче частоти послідовного резонансу. Індуктивність L1 забезпечує виконання балансу фаз в умовах, коли М<2, и эквивалентное реактивное сопротивление кварца не может иметь индуктивный характер. Это значит, что генератор с кварцем в контуре может работать на более высоких частотах и более высоких номерах механических гармоник кварцевого резонатора. Для исключения паразитного самовозбуждения через параллельную емкость Ср, которое наиболее вероятно на высоких частотах и на высших механических гармониках, параллельно резонатору включают резистор R1, который вносит потери в контур паразитного самовозбуждения.
Знизити вимоги до активності кварцового резонатора на механічних гармоніках можна при використанні схем генераторів послідовного резонансу. Так як при підвищенні частоти і номера гармоніки активність кварцового резонатора зменшується через збільшення його еквівалентного опору і підвищення шунтирующего впливу статичної (паралельної) ємності Ср, необхідно її нейтралізувати або компенсувати. Нейтралізацію можна здійснити в мостовій схемі, де кварц поміщають в одне з плечей збалансованого моста.
Мостовий автогенератор послідовного резонансу. У схемі, наведеній на рис.6, при точній балансі моста (Ср = С2, ХL1-2 = ХL2-3) зворотний зв'язок здійснюється тільки через динамічну галузь резонатора. На механічної гармоніці кварцового резонатора різко зростає провідність послідовної гілки резонатора, міст розбалансує, і при відповідному виборі елементів схеми генератор збуджується. Контур L1-C3 повинен бути налаштований на частоту необхідної гармоніки.
У цій схемі вдається порушити кварцові резонатори на 5-й або 7-й гармониках. Схеми з нейтралізацією статичної ємності резонатора вельми критичні до режиму роботи і складні в регулюванні, хоча їх можна застосовувати на частотах до 100 МГц. Верхня межа частот генератора з нейтралізацією обумовлений труднощами одержання великого еквівалентного опору контуру зі зростанням частоти, так як початкову ємність контуру можна зробити малої через паразитних ємностей.
Схема Батлера (рис.7) характеризується найбільшою стійкістю до дестабілізуючих чинників в діапазоні до 100 МГц. Верхня межа генеруються частот обумовлений погіршенням властивостей емітерного повторювача. У схемі Батлера кварцовий резонатор включений в ланцюг зворотного зв'язку між емітером транзисторів. Транзистор VT1 включений за схемою із загальним колектором, а транзистор VT2 - із загальною базою. Недоліком цієї схеми є схильність до паразитного самозбудження через зв'язок виходу зі входом через паралельну ємність кварцу Пор. Для усунення цього явища паралельно кварцу підключають котушку індуктивності, що утворить разом з паралельною ємністю кварцу резонансний контур, що настроюється на частоту паразитного коливання.
Автогенератор за схемою Батлера на одному транзисторі з компенсацією Пор. На частотах до 300 МГц доцільно застосовувати однокаскадні схеми фільтрів, наприклад, схему фільтра із загальною базою (рис.8). По суті, такий автогенератор є однокаскадний підсилювач, в якому контур з'єднаний з емітером біполярного транзистора через кварцовий резонатор, що виконує роль вузькосмугового фільтра. Контур, утворений паралельною ємністю кварцу Ср і котушкою L2, налаштовують на частоту використовуваної гармоніки. Зі збільшенням робочої частоти зростають еквівалентні провідності транзистора, тобто виконання умов самозбудження погіршується. Однак, незважаючи на це, умови самозбудження цього автогенератора на високих частотах виконуються легше, ніж автогенераторів з кварцом між колектором і базою і кварцом в контурі, що визначає його перевага.
На закінчення необхідно відзначити, що розглянуті схеми кварцових генераторів не вичерпують усього різноманіття схем генераторів, стабілізованих кварцовим резонатором, і на вибір схеми головним чином впливають наявність кварцових резонаторів з необхідними еквівалентними параметрами, вимоги до вихідної потужності, до потужності, що розсіюється на резонаторі, довготривалої стабільності частоти і ін.
Трохи про резонаторах. При виборі резонатора для генератора особливу увагу слід звертати на добротність резонатора - чим вона вища, тим стабільніше частота. Найбільшою добротністю володіють вакуумовані резонатори. Але чим добротнее резонатор, тим він дорожчий. Часто зустрічаються резонатори з великим рівнем побічних резонансів.
В СРСР, окрім резонаторів з кварцу, випускалися резонатори з ниобата літію (з маркуванням РН або РМ), танталата літію (з маркуванням РТ) і з інших пьезоелектріков. Так як еквівалентні параметри таких резонаторів відрізняються від параметрів кварцових резонаторів, вони можуть не збуджуватися в схемах, в яких відмінно працюють кварци, хоча частота, маркована на корпусі, може бути однаковою. У них можуть бути гірше стабільність частоти і точність настройки. Підприємства СРСР, як правило, випускали кварцові резонатори з основною частотою до 20. 22 МГц, а вище - на механічних гармоніках. Це пов'язано із застарілою технологією обробки кварцових пластин. Зарубіжні підприємства випускають кварци з основною частотою 35 МГц. Провідні зарубіжні фірми випускають резонатори у вигляді так званої зворотної мезаструктур, що працюють на об'ємних коливаннях зсуву по товщині, у яких частота першої гармоніки досягає 250 МГц! Використовуючи такі кварцові резонатори в схемах генераторів, в яких в якості коливальних систем застосовуються системи з розподіленими параметрами індуктивності і ємності, можна отримати високостабільні коливання аж до частоти 750 МГц без множення частоти!
Обговорити на форумі