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

мо пропорциональна изменению напряжения на термозависимом потенциометре. Крутизна S u зависит от параметров кварцевого резонатора, параметров варикапа, 'величины сопротивления Хду и начальной расстроики.

При фр/£н"С1 можно считать, что Su= Sf.

Функция компенсации определяется крутизной Su, параметра­ ми термозависимого потенциометра.

При компенсации различных форм ЧТХ необходимы различные виды термозависимых потенциометров.

Как показано в § 3.8, наиболее характерны следующие формы ЧТХ:

1.Монотонная характеристика с положительным ТКЧ.

2.Параболическая характеристика с одним экстремумом.

3.Характеристика с двумя экстремумами.

Рассмотрим виды термозависимых потенциометров, необходи­ мых для компенсации кварцевых резонаторов с такими характе­ ристиками.

1.Монотонная характеристика с положительным температу

цпп изменяли частоту генератора с температурой по зависимости, показанной на рис. 12.8 (кривая 2). Следует отметить, что при

компенсации небольших изменений частоты кварцевых генераторов можно считать зависимость частоты генератора от напряжения смещения на варикапе линейной.

постоянные резисторы; Rт2 — терморезистор.

240

Относительное изменение напряжения на выходе такого потен­ циометра

где q=R JR 'no; m ^R ^R ™ ; у = и0/Е .

Ка-'к видно из (12.28), изменением величины резисторов можно изменять степень компенсации.

2. Параболическая характеристика кварцевого резонатора по казана на рис. 12.9а (кривая 1). Необходимая для компенсации ЧТХ элементов термокомпенсации показана на рис. 12.9а (кри­ вая 2 ).

Впотенциометре (рис. 12.96) используются два терморезисто­ ра, причем компенсация одной ветви параболы определяется одним тер.морезистором, компенсация другой — вторым терморезистором.

Вобласти отрицательных температур величина R\ ограничи­

вает действие терморезистора Rti и получается потенциометр из резистора R\ и терморезистора Rt2 -

В области положительных температур резистор R t мало влияет на терморезистор Rt i, а величина резистора R t2 становится мень­ ше величины резистора R2 и не влияет на изменения напряжения на выходе потенциометра, образованного из терморезистора Р ц и резистора РгРезистор R'ь включенный последовательно с рези­ стором У?Т1. позволяет регулировать степень компенсации в области

3. В случае рис. 12.10а-необходимы три терморезистора. В о щем случае их минимальное число в потенциометре для компен­ сации характеристик с экстремумами

где ак — число экстремумов характеристики.

Рис. 12.10. ЧТХ:

а ) кварцевого резонато­ ра (кривая 1), элемен­ тов термокомпенсации (кривая 2); б) схема термозависимого потен­ циометра

Напряжение на выходе потенциометра рис. 12.106 может быть найдено из выражения

где k=.R 2 IRr3o-

При отрицательной температуре терморезисторы Rti и /?тз ма­ ло влияют на напряжение за счет резисторов Ri и R2 и поэтому действует потенциометр из резисторов R i и R t2 ■ При увеличении температуры шунтирующее действие R | становится меньшим и на­ чинает действовать цепочка из резисторов .Rti, R 1 и R'i, действие Rтз ограничивается также параллельным резистором R2.

Уменьшение напряжения начинает замедляться, и при опреде­ ленной температуре появляется первыйлекстремум ЧТХ термокомиенсирующих элементов. При дальнейшем повышении температу­ ры действие Rti ограничивается из-за последовательно включен­ ного с ним резистора RT и начинает действовать потенциометр из резисторов R'i, Rt2 и R2. Появляется второй экстремум ЧТХ термо­ компенсирующих элементов, а при дальнейшем-повышении темпе­ ратуры напряжение уменьшается.

2.42

При термо.компенеации частоты кварцевого генератора необхо­ димо выбрать элементы термо-компенсации, в 'первую очередь, эле­ менты термозависимого потенциометра и варикапа, чтобы обеспе­ чить .иаилучшую стабильность кварцевого генератора в заданном интервале температур. Задача получения такой функции компецсации, при которой температурная нестабильность частоты термокомпенсироваиного генератора будет минимальной, является весь­ ма сложной из-за нелинейности ЧТХ кварцевого генератора. Оп­ ределение параметров термокомпеисирующей схемы можно значи­ тельно упростить, если выбирать элементы так, чтобы получить полную компенсацию в отдельных точках температурного интер­ вала. При этом определенные параметры могут отличаться от оп­ тимальных, что может привести к несколько большей погрешности расчета, однако ввиду монотонного перехода ЧТХ от одной точки к другой, ожидаемая погрешность не может иметь значительную величину. При составлении уравнений для определения парамет­ ров термо'компенсирующей схемы важным вопросом является вы­ бор температур компенсации. Очевидно, с точки зрения уменьше­ ния погрешности в первом приближении необходимо выбирать точки компенсации так, чтобы они делили интервал температур на равные части. В некоторых случаях целесообразно перед компен­ сацией с помощью термозависимого потенциометра и варикапа провести линейную компенсацию.

Наиболее часто встречается параболическая ЧТХ (рис. 12.9). Рассмотрим кратко методику расчета термокомпенсирующих эле­ ментов для ЧТХ такого вида. Расчет термокомпенсирующих эле­ ментов для ЧТХ другого вида приведен в {32].

Для параболических ЧТХ целесообразны в качестве темпера­ тур компенсации температуры Т\, Т3 и То.

В некоторых случаях целесообразно пересчитать температуру Т0 так, чтобы весь температурный интервал разбивался примерно на четыре равные части. Формулы пересчета коэффициентов ЧТХ приведены в § 3.9.

Функция компенсации определяется для этой формы ЧТХ пятью параметрами: ,гп\, п\, р\ q и Su. Следует отметить, что вели­ чина у = и0/Е однозначно определяется при заданных сопротивле­ ниях термопотенциометра. Для составления пяти уравнений прини­ маем следующие условия: равенство значений f(T ) и ф(Т) при температурах Т\, Т3, Т0 и равенство значений производных этих функций при температурах Т3 и Го-

Решение данной системы уравнений представлено в табл. 12.1, в ней

Yi = Y'/(l — Y')-

После определения указанных выше параметров целесообраз­

влияния высокочастотного напряжения и ТКЕ .варикапа на ста­ бильность частоты. Обычно Е выбирается в пределах 6—40 В, по

Выбирается тип варикапа, при отсутствии варикапа с данной емкостью следует выбирать варикап с меньшей емкостью, а для получения заданной крутизны шунтировать его емкостью, величи­ ну которой можно определить по этой же формуле. При разбросе параметров кварцевых резонаторов, влияющих на крутизну харак­ теристики. следует изменять величину емкости, подключаемой па­ раллельно варикапу для получения расчетной крутизны. По изве­ стным величинам у' и и0 определяется напряжение источника пи- ■1 ания Е.

Большое влияние на температурную стабильность частоты термокомпенсировапного генератора оказывает разброс параметров элементов термокомпенсацип и ЧТХ кварцевого генератора. Раз­ брос параметров и ЧТХ случаен, поэтому для оценки его длня.нпя целесообразно воспользоваться суммарной средней квадратиче­ ской нестабильностью частоты

f 1=П

1—1

где 6 , — среднее квадратическое отклонение аг-го' параметра.

244

Т а б л и ц а 12.1

Решение системы уравнений ( 32-12.36)

Разброс ЧТХ кварцевых резонаторов, разброс их емкостных отношений, разброс элементов термозависимого потенциометра и варикапа ухудшает стабильность частоты. Для улучшения ста­ бильности частоты в широком интервале температур следует рас­ считывать каждый кварцевый резонатор и индивидуально регули­ ровать термокомпенсирующие элементы.

Генератор рис. 12.11 собран по схеме, описанной в [135], и пред­ ставляет собой емкостную трехточечную схему на транзисторе Т\ с включением в коллекторную цепь генератора перехода транзисто­ ра Т2 каскада с общей базой. Резисторы Rn, R 1 2 , R 13 и R is задают режим транзисторов 7\ и Т2 по постоянному току. Резистор Ru> обеспечивает устойчивость работы усилителя. Последовательно с кварцевым резонатором К в( включены варикап Дз и катушки ин­ дуктивности 1L 1 и Lo. Эти индуктивности обеспечивают режим рабо-

245

13 Г Л А В А

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ И ИЗМЕРЕНИЕ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК

13.1.КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ

Конструктивное оформление кварцевых генераторов самое различное. Квар­ цевые генераторы без термостатирования и термокомпенсации в некоторых слу­ чаях располагаются в конструкции возбудителя или гетеродина радиоаппаратуры. При использовании в радиоаппаратуре печатного монтажа кварцевый генератор часто проектируется на общей печатной плате вместе с другими каскадами ра­ диоаппаратуры.

В настоящее время широко применяется функционально-узловой метод кон­ струирования аппаратуры, при котором электронные схемы аппаратуры конст­ руктивно оформляются в виде отдельных узлов. Наличие радиоэлектронных функ­ циональных узлов, выполненных в виде законченных конструкций, упрощает производство и эксплуатацию радиоэлектронных устройств. Функциональный узел включает в себя законченную часть схемы и имеет законченную конструк­ цию, удовлетворяющую заданным механическим и электрическим требованиям.

Функциональные узлы должны иметь единое конструктивное исполнение и типоразмеры, хорошо сопрягающиеся между собой {207]. Одним из видов функ­ циональных узлов являются плоские функциональные элементы (ФЭ). Плоские модули типа ФЭ монтируются па унифицированных печатных платах. Собранная плата помещается в алюминиевый экран с двумя резьбовыми отверстиями для крепления ФЭ на общей плате. Для улучшения устойчивости к механическим нагрузкам модуль заливается пенопластом, имеющим большую адгезию с метал­ лом' благодаря чему получается монолитный блок. Для герметизации модули дополнительно заливаются эпоксидным компаундом.

В ФЭ размещается схема генератора. Кварцевые резонаторы, катушка пе­

1247

торы в виде функциональных элементов применяются в стационарной и мобиль­ ной аппаратуре. Размеры функциональных элементов затрудняют их примене­ ние в малогабаритной аппаратуре.

Меньшие габариты имеют микромодули. Основным элементом их является микроплата, на которой располагаются элементы. При использовании кварцевого резонатора, выполненного на мнкроплате, его можно располагать внутри микромодуля. В случае применения других типов кварцевых резонаторов они распо­ лагаются вне модуля. Мнкромодульные генераторы имеют относительно боль­ шие размеры, и в проектируемой аппаратуре применять их нецелесообразно.

Существенно уменьшить габариты можно, используя интегральные кварце­ вые генераторы.

*- К первой группе интегральных кварцевых генераторов относятся кварцевые генераторы, содержащие отдельно кварцевый резонатор н интегральную схему генератора. Интегральная схема генератора может быть гибридно-пленочной и полупроводниковой интегральной. В некоторых случаях корректор частоты и конденсаторы обратной связи выполняются отдельно на печатной плате. Обычно в таких генераторах используются типовые интегральные схемы общего приме­ нения. Такие генераторы не требуют разработки специальных интегральных схем и допускают использование интегральной схемы одного типа в широком диапа­ зоне частот [166, 213].

4. Ко второй группе интегральных кварцевых генераторов относятся генера­ торы, интегральная схема которых выполнена обычно на общей подложке и раз­ мещена в одном корпусе с пластиной кварцевого резонатора. Такие генераторы

П. Г. Поздняковым с сотрудниками [164]. В этом генераторе элементы микро­ схемы расположены на участках кварцевого элемента, свободных от слоев элек­ тродов. Такие генераторы могут изготавливаться как на низких, так и на вы­ соких частотах с использованием кварцевых пластин с колебаниями сдвига по толщине. В этих генераторах все элементы схемы располагаются непосредственно па кварцевой пластине [109, 64].

13.2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЕМКОСТНОЙ ТРЕХТОЧЕЧНОЙ СХЕМЫ

Рассмотрим кратко методику расчета кварцевого генератора на транзисто­ рах. собранного по емкостной трехточечной схеме. Эта схема благодаря своей простоте и высокой стабильности частоты часто применяется в широком днапашне частот.

Рассчитаем генератор так. чтобы он обеспечивал требуемый запас по воз­ буждению и незначительно увеличивал суммарную нестабильность частоты. Это достигается максимизацией емкостей делителя, обеспечивающего связь транзи­ стора с кварцевым резонатором. Максимальные величины емкостей, подключен­ ных параллельно входным и выходным сопротивлениям транзистора, обеспечи­ вают минимальное его влияние на частоту и ее стабильность. Расчет генератора целесообразно производить в следующем порядке:

1. Выбор кварцевых резонаторов. Кварцевый резонатор должен выбираться из условия обеспечения требуемой температурной стабильности частоты, мини­ мальных уходов частоты после н во время механически* испытаний н испытаний па циклическое воздействие предельных температур. Выбрав кварцевый резо­ натор, узнаем такие его параметры, как /„п, т, Со, Яки-

2. Выбор типа транзистора. Тип транзистора выбирается обычно из условия /iiomS^/s. Важна также стабильность параметров транзистора в интервале тем­ ператур, следует отдавать предпочтение кремниевым транзисторам. Следует учи­ тывать габариты транзистора, ток потребления. Выбор режима транзистора по постоянному току подробно рассмотрен в [68, 69, 161]. Выбрав транзистор и его

248

режим, определяют его входные и выходные проводимости, модуль крутизны

|5| и фазу крутизны фа коллекторного тока.

3.,Задаваясь запасом по возбуждению (фактором регенерации), можно опре­ делить управляющее сопротивление генератора. Учитывая разброс параметров кварцевых резонаторов, транзисторов и других элементов схемы, целесообразно выбирать запас по возбуждению К з ~ 2 —5, что соответствует •yi(6) = l/Kp = =0,2—0,5.

Величина управляющего сопротивления генератора

Величина Ко определяет степень влияния входных и выходных проводимос­ тей транзистора на стабильность частоты. При уменьшении Ко возрастает влия­ ние выходной проводимости транзистора и уменьшается влияние входной про­ водимости. Увеличение Ко уменьшает влияние на частоту генератора выходной проводимости и увеличивает влияние входной проводимости транзистора. Соглас­ но [123, 161] величина Ко обычно выбирается а пределах 0,2—0,8.

4. Определяем значения сопротивлений Хц и Х 21 в первом приближении. Из выражения (13.4) получаем следующее уравнение для определения величины Хи:

Решение уравнения имеет вид:

______ Яу Якв (1 ~г Ко)

Х„ =

249’