книги из ГПНТБ / Альтшуллер Г.Б. Кварцевая стабилизация частоты

юо

Уравнение для определения расстройки (частоты) кварцевого генератора по индуктивной трехточечной схеме аналогично ур-нию (6.29) кварцевого генератора по емкостной трехточечной схеме, и поэтому уравнение (6.58) .имеет решение вида (6.30) — (6.32) при определении величин tgcp3 и хГПолн из выражений (6.56) и (6.57).

Из выражения (6.54) можно после преобразований найти вы­ ражение для управляющего сопротивления генератора

необходимо знать модуль коэффициента обратной связи. Значение комплексного коэффициента обратной связи можно получить из выражения (6.50):

Удобнее представить выражение для модуля коэффициента обрат­ ной связи в виде

(6.62)

Рассмотрим теперь индуктивную трехточечную схему с кварце­ вым резонатором между коллектором и эмиттером транзистора. Эквивалентная схема генератора, показана на рис. 6.7. В этой схе­

ме Z2 с учетом входных сопротивлений транзистора имеет индук­

101

Подставляя в выражение (6.65) значения комплексных сопро­ тивлений, получаем после преобразований следующие выражения:

выражение, характеризующее частотные соотношения в кварце­ вом генераторе:

102

чение расстройки для генератора с индуктивной трехточечной схе­ мой с кварцевым резонатором, включенным между коллектором и эмиттером, можно найти по выражениям, аналогичным выраже­

103

Из выражения (6.72) можно найти значение модуля коэффи­ циента обратной связи, характеризующее соотношение между на­ пряжением база—эмиттер (Уб и напряжением коллектор-эмиттер

Ui<:

6.4.ГЕНЕРАТОРЫ С ЕМКОСТНОЙ ТРЕХТОЧЕЧНОЙ СХЕМОЙ НА МЕХАНИЧЕСКИХ ГАРМОНИКАХ

Диапазон частот кварцевых резонаторов, работающих по ос­ новной частоте, ограничен 20 МГц [80, 81]. Это обусловлено тем, что с ростом частот кварцевых резонаторов, работающих по ос­ новной частоте, уменьшается толщина кварцевых пластин, так, на­ пример, пластины среза АТ на частоту 20 МГц имеют толщину около 80 мкм. В [232] приводятся сведения о возможности изго­ товления кварцевых пластин толщиной порядка 50 мкм, что со­

Однако такие кварцевые резонаторы имеют малые прочность и устойчивость к механическим нагрузкам. Кроме того, при произ­ водстве тонких пластин увеличивается разброс характеристик ре­ зонаторов.

Применение умножения частоты усложняет аппаратуру, ухуд­ шает спектр колебании после каскадов умножения частоты, уве­ личивает габариты и потребляемую энергию.

Получение высоких частот без умножения возможно при ис­ пользовании в генераторах механических гармоник кварцевых ре­ зонаторов. В этом случае возможно непосредственно получить вы­ сокие частоты (порядка 100 МГц и выше) при малых габаритах и отсутствии субгармоинк. При возбуждении кварцевого резона­ тора па механической гармонике кварцевый генератор сразу ра­ ботает на высокой частоте1).

') Например, на частоте 60 МГц по третьей механическом гармонике в спект­ ре колебаний такого генератора содержатся гармоники 120, 180 МГц и др., а при электрическом умножении кварцевого резонатора по основной частоте и электри­ ческого умножения частоты в спектре колебаний будут содержаться гармоники

20, 40, 60, 80, 100 МГц и др.

104

В общем случае частота кварцевого резонатора при работе его на механической гармонике не кратна частоте этого же кварце­ вого резонатора при работе его по основной частоте, а ЧТХ квар­ цевого резонатора при его работе на механических гармониках не идентична ЧТХ кварцевого резонатора при работе на основной частоте. Поэтому кварцевые резонаторы изготавливаются спе­ циально для использования в кварцевых генераторах на основной частоте или на заданной механической гармонике.

При использовании кварцевых резонаторов с колебаниями сдвига по толщине используются нечетные механические гармо­ ники, чаще всего 3,5 или 7. Третья механическая гармоника ис­ пользуется на частоты 20—90 МГц, пятая механическая гармони­ ка — на частоты 60—120 МГц, а на частоты выше 120 МГц ис­ пользуются седьмая и девятая механические гармоники.

Следует отметить, что иногда кварцевые генераторы, исполь­ зующие механические гармоники кварцевого резонатора, называ­ ют обертонными или гармониковыми кварцевыми генераторами.

Кварцевые генераторы с механическими гармониками кварце­ вых резонаторов достаточно широко рассмотрены в литературе, например в [157]. Поэтому они будут рассмотрены кратко. В этом параграфе будут рассмотрены кварцевые генераторы с механиче­ скими гармониками кварцевых резонаторов, собранные по емкост­ ной трехточечной схеме.

Для возбуждения кварцевого резонатора на заданной механи­ ческой гармонике необходимо построить схему генератора так, чтобы условия самовозбуждения не удовлетворялись на основной частоте и низших механических гармониках.

Колебания генератора на более высоких механических гармони­ ках не возникают из-за ухудшения условий самовозбуждения с ростом номера механических гармоник. Для этого в емкостную трехточечную схему кварцевого генератора между коллектором и эмиттером транзистора включается контур. Он настраивается на частоту ниже частоты генератора и представляет для нужной ме­ ханической гармоники емкостное сопротивление, обеспечивая ус­ ловия самовозбуждения для нее. Для основного колебания и бо­ лее низких механических гармоник кварцевого резонатора контур представляет индуктивное сопротивление и условия возбуждения по фазе не выполняются для указанных видов колебаний.

Для возбуждения вблизи последовательного резонанса кварце­ вого резонатора на нужной механической гармонике последова­ тельно с кварцевым резонатором целесообразно включать индук­ тивное сопротивление Ху, равное полному реактивному сопротив­ лению генератора (рис. 6 .8 ) на заданной частоте, соответствую­ щей выбранной механической гармонике. Емкость С4 и индуктив­ ность Ь 1 образуют расстроенный контур, включенный между эмит­ тером и коллектором транзистора, емкость С3 блокировочная. Ис­ пользование индуктивных трехточечных схем при включении ин­ дуктивности или контура между коллектором и эмиттером (при кварцевом резонаторе, включенном между базой и эмиттером) не

.105

позволяет создать условия для того, чтобы фазовые соотношения не выполнялись на основной частоте, так как контур представля­ ет для основной частоты индуктивное сопротивление.

Для устранения этого необходимо включать между коллекто­ ром и эмиттером контур третьего вида, который имеет индуктив-

зонансе заданной механической гармоники, шунтируется сопро­ тивлением Rp определенной величины. Это сопротивление не вно­ сит потерь з кварцевый резонатор, работающий на заданной меха­ нической гармонике вследствие работы резонатора вблизи после­ довательного резонанса. В этом случае полное реактивное сопро­

ской гармонике кварцевого резонатора.

При работе кварцевого резонатора по основной частоте хуполис

В этом случае сопротивление Rp будет шунтировать кварцевый резонатор и увеличивать его суммарные потери R'KBи .

Суммарное сопротивление резонатора можно найти из следую­ щего выражения:

(6.78)

Кв “I" '•р(1 — ер2 ) 2 + ei (I — еР2

Режим работы генератора должен быть выбран так, чтобы ус­ ловие самовозбуждения на этой частоте ие выполнялось.

Схема генератора, работающего на механической гармонике кварцевого резонатора без контура между коллектором и эмитте­ ром транзистора, аналогична схеме рис. 6.5.

При работе генератора на механической гармонике выше тре­ тьей нужно, чтобы условия самовозбуждения не выполнялись на низших механических гармониках

В этом случае:

эквивалентного сопротивления кварцевого резонатора на /-й меха­ нической гармонике.

Эти схемы кварцевых генераторов, использующие механиче­ ские гармоники кварцевых резонаторов, просты и надежны в ра­ боте и широко используются в аппаратуре на частотах до 60— 80 МГц. К кварцевым резонаторам этих схем предъявляются вы­ сокие требования по активности. Схемы кварцевых генераторов, использующие механические гармоники кварцевых резонаторов на более высокие частоты, приведены в § 7.3.

Схема, показанная на рис. 6 .8 , применяется в аппаратуре в широком интервале температур, если необходимо получить высо­ кую стабильность частоты. Для ослабления влияния фазы крутиз­ ны транзистора целесообразно использовать высокочастотные транзисторы типа 1Т311 и др. Элементы схемы генератора в боль­ шой степени зависят от условия эксплуатации, параметров квар­ цевых резонаторов, интервала рабочих температур и других фак­ торов. Ориентировочные значения элементов и параметров схем

10~

Т а б л 'и ц а 6.5

Ориентировочные параметры схемы генератора в диапазоне частот 20ч-100 МГц

6.5.СТАБИЛЬНОСТЬ ЧАСТОТЫ КВАРЦЕВОГО ГЕНЕРАТОРА

Стабильность частоты кварцевого генератора определяется ста­ бильностью кварцевого резонатора, точностью установки частоты генератора и стабильностью элементов генераторной схемы.

Стабильность кварцевого резонатора была рассмотрена в гл.З. Вопросы уменьшения отклонения частоты генератора от номи­ нальной будут рассмотрены в гл. 9.

В этом параграфе будем рассматривать составляющие неста­ бильности частоты транзисторного кварцевого генератора. Состав­ ляющие нестабильности частоты будем рассматривать на приме­ ре генератора с емкостной трехточечной схемой, широко приме­ няющейся в технике кварцевой стабилизации частоты из-за своей

106

Из выражения (6.31) для расстройки частоты найдем произ­ водные де/дхг ПОЛИи де/д tg фэ:

Взяв производные от выражения расстройки (6.31) по деста­ билизирующему фактору и заменяя дифференциалы на конечные приращения, получаем отдельные составляющие нестабильности частоты при изменении элементов схемы, параметров транзистора и кварцевого резонатора.

Нестабильность частоты кварцевого генератора, обусловленная изменением начального сопротивления управляющего элемента:

Л е

А-Туп

х ун

(6.84)

Нестабильность частоты кварцевого генератора, обусловлен­ ную изменением фазы крутизны транзистора, можно определить из соотношения

Д09