Лекции / Лекция 3

Лекция №3. Стабилизация частоты автогенераторов

Высокие требования к стабильности частоты радиопередающих устройств определяются, прежде всего, требованием электромагнитной совместимости. Необходимо учитывать, что радиочастоты заняты различными радиостанциями, все диапазоны частот полностью используются. Поэтому необходимо обеспечить работу большого количества радиостанций без взаимных помех в заданном частотном диапазоне, кроме того, высокая стабильность частоты радиопередатчиков позволяет уменьшить полосу пропускания приемников, что способствует более качественному выделению полезного сигнала на уровне шумов.

Частотный разнос между соседними каналами для передатчиков железнодорожной радиосвязи равен Δf_ck= 25 кГц. Поэтому, существуют весьма жесткие требования к допустимому относительному отклонению частоты:

= 10^-6….10^-7.

Стабильность частоты радиопередающего устройства зависят, в основном от стабильности автогенератора. Отклонение действительной частоты от требуемого значения связано с неточностью настройки и нестабильностью самого автогенератора.

Частота генератора совпадает с собственной резонансной частотой колебательного контура, и с учетом влияния усилительного элемента, равна:

ω₀ = , (1.21)

где r – полное сопротивление потерь колебательного контура;

R_тр – сопротивление транзистора;

α_i(θ)– коэффициент, учитывающий изменение сопротивление транзистора при работе с отсечкой тока.

Рассмотрим основные причины нестабильности частоты АГ и меры борьбы с ними.

Внешние емкостные влияния.

Они определяются качественными характеристиками деталей контура (L_k C_k ) и влиянием стабильности емкостей всех остальных элементов схемы друг относительно друга и относительно земли. Последнее обстоятельство является определяющим, так как при выборе качественных деталей индуктивности и емкости контура, паразитные емкости влияют неконтролируемым образом на частоту генератора. Так, приближение посторонних предметов к генератору изменяет общую емкость контура, а, следовательно, и частоту. Особенно значительно проявляется влияние паразитных емкостей с повышением частоты генерации, так как собственные емкости колебательного контура в этом случае уменьшаются.

Средствами борьбы с емкостными влияниями является экранировка генератора.

Механические влияния.

Воздействие различных внешних механических сил, таких как вибрация, тряска, могут привести к деформации деталей генератора. Особенно сильно механические влияния проявляются на подвижных объектах, что имеет место на железнодорожном транспорте. Вибрация элементов схемы и деформация деталей вследствие тряски вызывают изменение электрических параметров схемы, изменение емкости и взаимоиндукции элементов колебательного контура. Для получения устойчивых по частоте колебаний в подвижных установках генератор необходимо устанавливать на амортизаторы. Конструкция и крепление деталей должны быть жесткими, соединительные провода короткими, как правило, используется печатный монтаж.

Температурные влияния.

Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению линейных размеров конденсаторов и катушек и, следовательно, к изменению емкости и индуктивности.

Емкость плоского конденсатора в случае заполнения пространства между его обкладками диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε равна:

С = (n-1) ,

где S –площадь пластин, м²;

n – число пластин;

d – расстояние между пластинами, м .

Индуктивность зависит от диаметра, длины катушки, числа витков и от магнитной проницаемости, если в ней имеется сердечник.

При изменении температуры на величину Δt происходит изменение линейных размеров элементов контура. Емкость C изменяется на величину ΔС, индуктивность L на величину ΔL, и частота контура изменяется.

Отношение определяет температурный коэффициент емкости (ТКЕ), а отношение - температурный коэффициент индуктивности (ТКИ).

Рассмотрим зависимость температурного коэффициента частоты (ТКЧ) от ТКЕ и ТКИ.

Из формулы (1.11) следует:

,

Следовательно,

Df = ,

или

.

Производя дифференцирование, получаем:

– .

Таким образом, относительное изменение частоты контура при изменении температуры на один градус равно:

.

Отсюда следует, что при разных знаках ТКЕ и ТКИ возможно осуществить взаимную термокомпенсацию элементов контура с целью уменьшения его ТКЧ .

Изменение напряжения источников питания.

Как следует из (1.21), стабильность частоты зависит не только от параметров колебательного контура, но также от параметров транзистора. Изменение напряжения, например, источника питания коллектора (Е_к), вызывает изменение проводимостей и емкостей переходов транзистора, что приводит к изменению вносимых в контур сопротивлений. Если питание на базу транзистора подается от Е_к через делитель на сопротивлениях, то изменение напряжения на базе приведет к изменению угла отсечки, а, следовательно, и к изменению частоты колебаний.

Для уменьшения влияния изменения параметров транзистора, уменьшают его связь с контуром, используют контуры 2-го и 3-го вида. Источники питания необходимо стабилизировать путем использования качественных фильтров и применения стабилитронов.

Влияние нестабильности нагрузки.

Нагрузкой автогенератора является входное сопротивление следующего за ним каскада. Характер этого сопротивления может быть активным и реактивным. Добротность колебательного контура автогенератора определяется не только значением собственных параметров, но и сопротивлениями, вносимыми в контур, вследствие связи с дальнейшими потребителями энергии радиочастоты.

Для ослабления влияния нагрузки на частоту автогенератора следует по возможности ослаблять связь между генератором и нагрузкой. Для уменьшения влияния вносимых в контур потерь желательно выбирать контур с возможно большей добротностью. Для уменьшения влияния реактивных составляющих применяют экранирование.

Влияние неточности настройки.

Этот фактор играет существенную роль при неточной настройке контуров в перестраиваемых, диапазонных передатчиках. Если передатчики работают на фиксированной частоте, то нестабильность будет определяться качеством заводской настройки.

Кварцевая стабилизация частоты автогенераторов

Наиболее радикальное средство для стабилизации частоты, часто применяемое на практике, заключается в использовании кварца.

Кварц – это природный или искусственно выращенный кристалл, который обладает свойством пьезоэлектрического эффекта. Пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при механическом сжатии пластины кварца на ее гранях появляются статические заряды определенной полярности и заряды противоположной полярности при растяжении.

Пластинку кварца вырезают из кристалла, который имеет форму шестигранной призмы, различными способами по отношению к трем его осям: оптической zz, электрической xx и механической yy. Чаще всего используют косой срез, при котором ребра пластины образуют некоторые углы с осями. Противоположные грани пластины металлизируют, образуя, таким образом, плоский конденсатор.

Если такую пластинку кварца поместить в электрическое поле, то в кварце возникнут механические колебания с частотой переменного тока. При некоторой частоте амплитуда колебаний резко возрастает. Таким образом, пластинка кварца является колебательной системой.

Для включения кварцевой пластины в электрическую схему используют кварцедержатели. Пластина кварца вместе с кварцедержателями помещается в герметический стеклянный или металлический баллон, называемый кварцевым резонатором.

Исследование кварцевого резонатора позволило сделать вывод, что по своим электрическим свойствам его можно представить эквивалентной схемой в виде колебательного контура. Она состоит из статической емкости кварцедержателя С₀ , емкости кварца С_кв, характеризующей его упругие свойства, индуктивности L_кв , характеризующей инерционные свойства пластины, r_кв– активное сопротивление, характеризующее потери энергии при преобразовании электрических колебаний в механические. По сравнению с параметрами обычных колебательных контуров параметры кварцевого контура отличаются на несколько порядков: L_кв – в сторону увеличения (от сотых долей Гн до нескольких тысяч), С_кв – в сторону уменьшения (сотые доли пФ). В результате, характеристическое сопротивление ρ_кв ≈ 10⁵….10⁸ Ом. При сопротивлении потерь r_кв = 1,0…10³ Ом добротность Q_кв может достигать значений 10⁴ …10⁷ и более.

Из характеристики и эквивалентной схемы кварцевого резонатора видно, что имеются две характерные частоты:

последовательного резонанса

и параллельного резонанса

ω₂ = .

Отношение этих частот:

Обычно отношение емкостей С_кв и С₀ ≈ 3…10 пФ очень мало (10^-3…..10^-4), поэтому

.

Следовательно, частоты ω₁ и ω₂ мало отличаются одна от другой и определяют основную частоту механических колебаний.

Эквивалентное сопротивление кварца в диапазоне частот ω₁<ω<ω₂ имеет индуктивный характер, на остальных частотах сопротивление кварца емкостное.

Таким образом, кварцу соответствует электрическая схема замещения, которая имеет уникальные параметры. Во-первых, это огромное значение добротности, во-вторых, высокая степень постоянства резонансных частот. А так как кварц является диэлектриком, то обладает большим сопротивлением постоянному току. При удачном выборе среза (т.е. углов относительно осей кристалла) температурный коэффициент частоты (ТКЧ) кварца может составлять 10^-6 1/град и менее в широком диапазоне температур, то есть мало зависит от дестабилизирующих факторов.

Резонансная частота кварца зависит от его размеров и определяется соотношением:

f_кв = .

где d – толщина пластины в мм;

М- частотный коэффициент, зависящий от среза,

М= 1,7..3.0 МГц·мм.

Чем выше требуется частота кварца, тем тоньше должна быть пластина, и чем ниже частота, тем больше размеры пластины. Это обстоятельство ограничивает частотный диапазон, в котором может использоваться кварц (от десятков кГц до 30 МГц). При необходимости стабилизации более высоких частот используют механические гармоники кварца, причем только нечетные, не выше седьмой, так как с повышением гармоники уменьшается добротность кварца.

Схемы кварцевых автогенераторов

При выборе возможных схем автогенераторов используется свойство кварца, то, что он на частоте стабилизации играет роль индуктивного сопротивления.

Простейшие схемы такого типа – это трехточечные схемы, в которых кварц заменяет одну из индуктивностей. Наиболее часто применяется схема при включении кварца между коллектором и базой. Колебательная система образована эквивалентной индуктивностью кварца, емкостью С1, включенной между базой и эмиттером и емкостью транзистора С_КЭ. Колебательный контур (L_кС_к) может быть настроен на частоту кварца или быть расстроенным по отношению к ней. Если резонансная частота контура равна частоте кварца ω_р = ω_кв , то характер его сопротивления будет активным. Если емкость С_КЭ мала для выполнения баланса амплитуд при возбуждении генератора, то контур может быть расстроен по отношению к частоте кварца таким образом, чтобы он имел емкостной характер. Для этого резонансную частоту контура выбирают меньше частоты кварца ω₀ < ω_кв . Так как частота генератора определяется частотой кварца, то контур на ω_кв будет иметь емкостной характер.

Схема при включении кварцевого резонатора между коллектором и базой имеет лучшую стабильность частоты по сравнению с другими трехточечными схемами. Так, при включении кварца между базой и эмиттером (при индуктивной трехточечной схеме), добротность кварца уменьшается из-за шунтирования его малым входным сопротивлением транзистора.

Схему емкостной трехточки хорошо использовать в интегральном исполнении, в котором нежелательны частотно-избирательные цепи с индуктивностями из-за сложностей в их изготовлении.

На частотной характеристике показан принцип выбора резонансной частоты колебательного контура при возбуждении кварца на пятой механической гармонике. Если резонансная частота контура выбрана таким образом, 3 ω_кв < ω_р < 5 ω_кв , условие баланса фаз выполняется для пятой гармоники, так как контур на этой частоте имеет емкостный характер.

Помимо схем, где кварц используется как индуктивность, существует еще группа схем, где кварц работает как последовательный резонансный контур, (так называемые «осцилляторные схемы»). Одна из таких схем с включением кварца в цепь обратной связи показана на рисунке 1.50. Автогенератор собран по трехточечной схеме, но в цепь обратной связи включен делитель напряжения, состоящий из кварца и небольшого резистора R3 ≈ r_кв. Коэффициент передачи цепи обратной связи к_дел = R3/( R3+Z_кв) . При небольших отклонениях частоты от ω_кв сопротивление кварца резко возрастает, напряжение на R3 резко уменьшается, нарушая баланс амплитуд и автогенератор не возбуждается.

Рассмотрим схему кварцевого генератора, собранная на транзисторах VT2 и VT1, включенных по схеме ОК –ОБ. Такая схема используется в радиостанциях железнодорожной связи.

Автогенератор собран на транзисторе VT2 по схеме емкостной трехточки с общим коллектором. Емкость колебательного контура образована последовательно включенными конденсаторами С2 и С3, образующих емкостный делитель. Соотношение емкостей выбирается из соображения обеспечения баланса амплитуд. Кварцевый резонатор выполняет функцию индуктивности. Резистор R_доб, шунтирующий кварцевый резонатор, предотвращает возбуждение кварца на высших гармониках. С помощью катушки L1 и конденсатора С1 можно подстраивать генератор в небольших пределах.

Транзистор VT1, включенный по схеме с ОБ, является буферным каскадом, ослабляющим влияние последующих каскадов на автогенератор. Конденсатор С_бл2 заземляет базу буферного каскада по переменному току. Транзисторы буферного каскада и автогенератора включены последовательно по постоянному току, их питание осуществляется от источника Е_к. Резисторы R1- R3 создают необходимое смещение на базах транзисторов. Резистор R_к является нагрузкой буферного каскада, с которого сигнал через разделительный конденсатор С_р поступает на вход последующего каскада.