704_Mikushin_A.V._Skhemotekhnika_mobil'nykh_radiostantsij_
.pdf
Рисунок 2.84.
Схема гетеродина, реализованная на специализированной микросхеме MAX2620
На стабильность частоты гетеродина оказывает большое влияние стабильность и шумовые параметры источника питания. Поэтому при разработке принципиальной схемы гетеродина большое внимание уделяется его схемам питания.
Первоначально для снижения уровня пульсаций напряжения, присутствующих на источнике питания радиоприемного устройства, по цепям питания гетеродина ставились фильтрующие RC цепочки. Эти же цепочки снижают влияние остальных блоков приемника на частоту сигнала, вырабатываемого гетеродином.
По мере совершенствования интегральных микросхем в качестве активных фильтров стали применять малошумящие стабилизаторы напряжения. В качестве примера подобного стабилизатора можно назвать микросхему ADP3330
фирмы ANALOG DEVISES.
Схема гетеродина с применением в качестве фильтра питания малошумящего стабилизатора ADP3330 приведена на рисунке 2.85.
131
Рисунок 2.85. Схема гетеродина с малошумящим стабилизатором напряжения
На этой схеме в качестве каскада, уменьшающего влияние смесителя на выходную частоту гетеродина, применена буферизирующая микросхема MAX2470. Цепочка R20, C57 предназначена для уменьшения шумов на выходе этой микросхемы.
Кроме нестабильности питающих напряжений и нагрузки на значение генерируемой частоты влияет старение и зависимость от температуры частотозадающих элементов (индуктивности и емкостей, входящих в состав контура). Для того, чтобы обеспечить стабильность генерируемой частоты применяют индуктивности и емкости с малой зависимостью от температуры. В ряде случаев применяется несколько конденсаторов с противоположной зависимостью от температуры.
Учитывая, что схемы генераторов, приведенных на рисунках 2.84 и 2.85 перестраиваются по частоте подачей постоянного напряжения, подобные схемы получили название генераторов управляемых напряжением ГУН или VCO. Подобные схемы применяются в составе синтезаторов частоты.
Особенности кварцевой стабилизации частоты гетеродинов.
Несмотря на все перечисленные меры увеличения стабильности гетеродинов трудно получить относительную стабильность частоты выше значения 10- 3 … 10-4. Эта нестабильность приводит к уходу частоты настройки радиоприемного устройства на частоте 100 МГц на 100 … 10 кГц. Это значение превышает ширину частотного канала современных систем мобильной связи. На более высоких частотах положение с абсолютным уходом частоты в зависимости от температуры еще больше ухудшается.
132
Поэтому велись работы по увеличению стабильности частотозадающих элементов. В результате удалось получить стабильность на два порядка выше при применении в качестве частотозадающих элементов генераторы кварцевых резонаторов. При этом можно обеспечить относительную стабильность частоты генератора от 10-5 до 10-8.
Кварцевый резонатор применяется в гетеродинах радиоприемников в качестве частотозадающего колебательного резонансного LC контура. Благодаря малым потерям энергии в данном резонаторе удается достигнуть добротности порядка нескольких тысяч.
Кварцевые кристаллы известны в природе как горный хрусталь, аметист или раухтопаз. В качестве примера на рисунке 2.86 приведена фотография друзы кристаллов раухтопаза.
Рисунок 2.86. Внешний вид кварцевых кристаллов
Природные кристаллы содержат в себе большое число неоднородностей. Кроме того, они дороги, поэтому в настоящее время в основном применяются искусственно выращенные кристаллы кварца. Кварцевые кристаллы выращиваются из щелочных растворов в автоклавах при температуре 400 C° и давлении около 2000 атм. Процесс выращивания кристалла длится от 30 до 45 дней.
Особенностью кристалла кварца является то, что он обладает пьезоэффектом. Пьезоэффект обуславливается особым строением кристалла кварца. Схематически расположение ионов кислорода и кремния в кристалле кварца изображено на рисунке 2.87.
133
|
|
x |
|
– |
O2 |
Si |
+ |
+ Si |
|
|
y |
O2 |
– |
– O2 |
|
+ Si |
|
Рисунок 2.87. Расположение ионов кислорода и кремния в кристалле кварца
В кристалле явным образом наблюдается электрическая ось x и механическая ось y. При сжатии кристалла вдоль механической оси y ионы отрицательные кислорода вытесняются с одной стороны, а положительные ионы кремния с другой. В результате возникает разность потенциалов. Сжатие или растяжение по оси Z не вызывает появления зарядов на гранях. Поэтому ось Z называется оптической.
Благодаря симметричности кристалла кварца механическую и электрическую оси можно провести тремя разными способами. Эффект при этом не изменится. На рисунке 2.88 показано, как нужно вырезать пластинку из кристалла кварца для того, чтобы на ее краях возникала разность потенциалов.
Рисунок 2.88. Как вырезается пьезоэлектрическая пластинка из кварцевого кристалла
134
Срез, показанный на рисунке 2.87, получил название XT-срез. Изменение размеров XT-среза кварцевой пластинки при прикладывании разности потенциалов к ее поверхности приведен на рисунке 2.89.
Рисунок 2.89. Изменение размеров XT -среза кварцевой пластинки при прикладывании разности потенциалов к ее поверхности
XT-срез применяется для изготовления низкочастотных кварцевых резонаторов (3 ... 85 кГц). Например, часовых резонаторов на частоту 32768 кГц. Чертеж часового кварцевого резонатора приведен на рисунке 2.90. Он выполнен в виде вилки камертона. Эта форма, как и в музыкальной технике, позволяет получить очень высокую добротность резонатора.
Z
Y
X
Рисунок 2.90. Чертеж камертонной вилки часового кварцевого резонатора
Форма колебаний плеч камертона часового резонатора приведена на рисунке 2.91.
Рисунок 2.91. Колебания плеч часового кварцевого резонатора
Фотография часового кварцевого резонатора со снятым защитным корпусом приведена на рисунке 2.92.
135
Рисунок 2.92. Внешний вид часового кварцевого резонатора
Следует заметить, что подобный срез кварцевой пластинки не позволяет получить высокую стабильность частоты колебаний. На рисунке 2.93 приведена типовая зависимость отклонения частоты кварцевого резонатора XT-среза от температуры окружающей среды.
Рисунок 2.93. Типовая температурная зависимость ухода частоты XT-среза кварцевого резонатора
Как видно из этого графика, при изменении температуры от –25ºС до +75ºС, частота уходит на 80 миллионных (ppm). Это соответствует стабильности частоты 10–4, что вполне достаточно для работы наручных часов, синхронизации микропроцессоров, но слишком мало для стабилизации несущей частоты приемопередатчиков.
Намного лучшими характеристиками обладает AT-срез кристалла кварца. В отличие от XT-среза, в AT-срезе пластинка вырезается под углом к механической оси Z. Его значение составляет 35º15' (на частотах выше 10 МГц угол среза будет уже 35º18'). Поэтому в пластинке формируется сдвиг по толщине, как это показано на рисунке 2.94.
136
Рисунок 2.94. Сдвиг поверхностей AT-среза кварцевой пластинки при прикладывании к ним разности потенциалов
Расположение пластинки AT-среза относительно кристаллографических осей кварцевого кристалла приведено на рисунке 2.95.
Z 
Q=35°15'
Y
X
Рисунок 2.95. Расположение пластинки AT-среза относительно кристаллографических осей кварцевого кристалла
В AT-резонаторе его резонансная частота зависит от толщины пластинки. Толщина кварцевой пластинки определяется как 1,661 мм/(частота в МГц). Диапазон частот этих кварцевых резонаторов лежит в диапазоне от 0,5 до 300 МГц. Пластинку можно вырезать в виде полоски и разместить в таком же корпусе, как и часовой кварц.
Рисунок 2.96. Внешний вид кварцевого резонатора с AT-срезом
Однако для уменьшения потерь и исключения паразитных колебаний на нежелательных частотах (а именно это и требуется в гетеродинах радиоприемников и возбудителях передатчиков), форму пластинки делают в виде диска или линзы. Внешний вид кварцевого резонатора с AT-срезом пластинки приведен на рисунке 2.97.
137
Рисунок 2.97. Внешний вид кварцевого резонатора с AT-срезом
На рисунке 2.98 приведены типовые зависимости отклонения частоты кварцевого резонатора AT-среза от температуры окружающей среды при различных отклонениях угла среза от оптимального значения 35º15'.
Рисунок 2.98. Типовые температурные зависимости ухода частоты кварцевого резонатора AT-среза
Как видно из графика, при точном соблюдении угла среза кварцевого кристалла, в том же диапазоне температур уход частоты не превышает ±10 ppm. Это соответствует нестабильности частоты 10–5.
Эквивалентная схема кварцевого резонатора приведена на рисунке 2.99, а характеристика зависимости его сопротивления от частоты – на рисунке 2.100.
138
Рисунок 2.99. Эквивалентная схема кварцевого резонатора
Последовательные контура в данной эквивалентной схеме отображают основную частоту колебания пластинки, третью и, если нужно, то пятую гармонику основного колебания. Конденсатор C1 отображает емкость кварцедержателя.
Рисунок 2.100. Зависимость сопротивления кварцевого резонатора от частоты
В диапазоне частот от последовательного резонанса (минимум сопротивления) до параллельного резонанса (максимум сопротивления) кварцевый резонатор обладает индуктивным сопротивлением. Одна из наиболее распространенных схем кварцевых генераторов, выполненная на биполярном транзисторе, приведена на рисунке 2.101.
|
|
|
+Uп |
|
|
R1 |
|
|
C3 |
|
|
|
|
|
VT1 |
Z1 |
C1 |
|
Выход |
|
|
|
|
|
C2 |
R2 |
R3 |
Рисунок 2.101. Схема кварцевого генератора на биполярном транзисторе
Это типичная схема Колпитца, в которой кварцевый резонатор Z1 применяется вместо катушки индуктивности. Достаточно часто для реализации квар-
139
цевого генератора (XO) используется схема Пирса на КМОП инверторе. Ее схема приведена на рисунке 2.102.
R1
|
|
|
|
|
|
выход |
|
|
1 |
|
|
1 |
|
||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C1 |
|
|
|||||
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 2.102. Схема кварцевого генератора на логическом элементе
Генераторы опорной частоты
Всинтезаторах частот удается совместить противоречивые требования необходимости перестройки по частоте и обеспечения высокой стабильности этой частоты. При этом перестройка по частоте осуществляется генератором управляемым напряжением, а стабильность частоты обеспечивается генератором опорной частоты.
Впростейшем случае в качестве опорного генератора может подойти обычный кварцевый генератор с кварцевым резонатором AT-среза со схемой, подобной приведенным на рисунках 2.101 и 2.102. Обычно в состав микросхемы кварцевого генератора включается малошумящий стабилизатор напряже-
ния. Такие кварцевые генераторы обеспечивает стабильность частоты 2 10-5
или 20 ppm. Они получили название XO (crystal oscillator).
Как видно из схемы, подобный генератор достаточно легко реализовать на дискретных элементах, но учитывая, что размеры генераторов XO весьма малы, выгоднее купить готовую микросхему. В качестве примера на рисунке 2.103 приведен внешний вид и размеры генератора XO в корпусе для поверхностного монтажа SMD.
Рисунок 2.103. Внешний вид кварцевого генератора XO
140