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 коливальної системи. Добротність LC-контуру зазвичай не вище 200...300. До сучасних радиопередатчикам і приймачів пред'являються більш високі вимоги до стабільності частоти. Зазвичай 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 104...106.
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 п'єзоелемента. Паралельна ємність Ср обумовлена міжелектродному ємністю п'єзоелектрика, ємністю корпусу і монтажу. Резонансна частота динамічної гілки називається частотою послідовного резонансу кварцового резонатора Fs.
Рис.1
Добротність кварцового резонатора Q визначається динамічної гілкою у відповідності з формулою для послідовного коливального контуру
Q =(2pFsLs)/Rs
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, позначається р і називається ємнісним коефіцієнтом
r=Cc/Cs
За різними літературними джерелами, ємнісний коефіцієнт для АТ-зрізу кварцу дорівнює 220...250.
Враховуючи, що Cs/Cp<0,1, можна користуватися наближеним виразом для частоти паралельного резонансу
Fp=Fs(1+(Cs/2Cp)).
Для ємнісного коефіцієнта р>25 резонансний інтервал, який визначається як різниця між частотами паралельного і послідовного резонансів кварцового резонатора, можна записати у вигляді
dF=Fs/2r.
На механічних гармоніках кварцового резонатора резонансний інтервал зменшується і визначається виразом
dFn=Fs/(2rn2)
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 і підтримки коливань в схемі кварцового автогенератора. Для оцінки здатності кварцового резонатора порушуватися, у деяких схемах кварцових генераторів використовують параметр, званий
фактором якості. Він визначається як відношення добротності резонатора до його ємкісному коефіцієнту
м=Q/r.
Для кварцових резонаторів значення М лежать в межах від 1 до 10000. При М<2 реактивне опір резонатора виявляється позитивним (ємнісним) і не має області індуктивної реакції. Отже, порушення такого резонатора в схемах кварцових генераторів, які потребують індуктивної реакції, стає неможливим. 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 активного спротиву.
Кварцові генератори, в яких кварцовий резонатор використовується в якості елемента контуру індуктивної реакцій, називають осцилляторными, 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 по схемі із заземленим емітером (ємнісна трехточка) наведена на рис.2.
Рис.2
В даний час ємнісна трехточка знаходить широке застосування в діапазоні частот до 22 МГц при роботі резонатора на основній частоті, і до 66 МГц при збудженні на третій механічній гармоніці (рис.3). Автогенератор з кварцовим резонатором між колектором і базою в схемі з заземленим по високій частоті емітером, не схильний до паразитних коливань на ангармонічних обертони, має чудову стабільність частоти при зміні живлячої напруги і температури навколишнього середовища.
Рис.3
Вплив змін реактивних параметрів транзистора, що залежать від напруги живлення і часу,послаблюється із зростанням ємностей С1, C3 (рис.2), тобто з наближенням робочої частоти автогенератора до Fg. Однак надмірне збільшення ємностей приводить 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 потужність, що розсіюється на кварці обмежена 1...2 мВт. Однак у діапазоні частот 1...22 МГц при такій потужності, що розсіюється частота послідовного резонансу залежить від потужності, що розсіюється, а коефіцієнт пропорційності складає (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, C3 так, щоб частота генерації відстояла від Fs не більш ніж на чверть резонансного інтервалу. При порушенні кварцового резонатора на непарних механічних гармоніках кварцу, замість резистора R3 містять 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 ємнісну провідність на частоті необхідної гармоніки, що виключає можливість генерації на низьких гармоніках і основній частоті.
У осцилляторных генераторах, що працюють на частоті вище 22 МГц, резонатор зазвичай збуджують 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 ємнісна трьохточкова схема кварцового генератора з кварцовим резонатором між колектором і базою в схемі включення транзистора з заземленим колектором (рис.4). Ця схема особливо зручна для генераторів з електронною перебудовою частоти (при включенні послідовно з кварцом варикапа), і має меншу кількість блокувальних елементів, ніж схема з заземленим емітером. Багато фахівців в області кварцових генераторів вважають ємнісну трехточку найкращою з усіх схем кварцових генераторів, що працюють на основній або 3-ї механічній гармоніці резонатора. Слід зазначити, що існує схема ємнісної трехточкі, не містить індуктивності, яка порушується на 3-й і 5-й гармоніках.
Рис.4
Автогенератор з кварцом в контурі. Якщо в схемі на рис.4 послідовно з кварцом включити котушку індуктивності L1, це призведе до появи нових властивостей, тобто в генераторі (рис.5) можливі автоколивання, не стабілізовані кварцовим резонатором.
Рис.5
На високих частотах, де реактивний опір паралельної ємності резонатора менше реактивного опору динамічної гілки кварцового резонатора, можливо самозбудження через паралельну ємність Ср. 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, і еквівалентний реактивний опір кварцу не може мати індуктивний характер. Це означає, що генератор з кварцом в контурі може працювати на більш високих частотах і більш високих номерах механічних гармонік кварцового резонатора.
Для виключення паразитного самозбудження через паралельну ємність Ср, яке найбільш ймовірно на високих частотах і на вищих механічних гармоніках, паралельно резонатора включають резистор R1, який вносить втрати в контур паразитного самозбудження.
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 шунтуючого впливу статичної (паралельної) ємності Ср, необхідно її нейтралізувати чи компенсувати. Нейтралізацію можна здійснити в мостовій схемі, де кварц поміщають в одне з плечей збалансованого мосту.
Мостовий автогенератор послідовного резонансу. В схемі, наведеній на рис.6, при точному балансі моста (Ср=С2, ХL1-2=ХL2-3) зворотний зв'язок здійснюється лише через динамічну гілка резонатора. На механічній гармоніці кварцового резонатора різко зростає провідність послідовної гілки резонатора, міст розбалансовується, і при відповідному виборі елементів схеми генератор збуджується. Контур L1-C3 повинен бути налаштований на частоту потрібної гармоніки.
Рис.6
У цій схемі вдається порушити кварцові резонатори на 5-й або 7-й гармоніках. Схеми з нейтралізацією статичної ємності резонатора дуже 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 з ростом частоти, так як початкову ємність контуру можна зробити малою через паразитних ємностей.
Схема Батлера (рис.7) характеризується найбільшою стійкістю до дестабілізуючих факторів в діапазоні до 100 МГц. Верхня межа частот генеруються обумовлений погіршенням властивостей емітерного повторювача. У схемі Батлера кварцовий резонатор включений в ланцюг зворотного зв'язку між емітером транзисторів. Транзистор VT1 включений за схемою з загальним колектором, а транзистор VT2 - із загальною базою. Недоліком цієї схеми є схильність до паразитного самозбудженню з-за зв'язки виходу зі входом через паралельну ємність кварцу Ср. Для усунення цього явища паралельно кварцу підключають котушку індуктивності, що утворить разом з паралельною ємністю кварцу резонансний контур, що настроюється на частоту паразитного коливання.
Рис.7
Автогенератор за схемою Батлера на одному транзисторі з компенсацією Ср. На частотах до 300 МГц доцільно застосовувати однокаскадные схеми фільтрів, наприклад, схему фільтра з загальною базою (рис.8). По суті, такий являє собою автогенератор однокаскадний підсилювач, в якому контур з'єднаний з емітером біполярного транзистора через кварцовий резонатор, виконує роль вузькосмугового фільтра. Контур, утворений паралельній 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 перевагу.
Рис.8
На закінчення необхідно відзначити, що розглянуті схеми кварцових генераторів не вичерпують усього різноманіття схем генераторів, стабілізованих кварцовим резонатором, і на вибір схеми вирішальний вплив роблять наявність кварцових резонаторів з необхідними еквівалентними параметрами, вимоги до вихідної потужності, 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 вище, тим стабільніше частота. Найбільшою добротністю мають вакуумовані резонатори. Але чим добротнее резонатор, тим він дорожчий. Часто зустрічаються резонатори з великим рівнем побічних резонансів.
У СРСР, крім резонаторів з кварцу, випускалися резонатори з ніобату літію (з маркуванням РН або РМ), танталата літію (з маркуванням РТ) та з інших пьезоэлектриков. Так як еквівалентні параметри таких резонаторів відрізняються від параметрів кварцових резонаторів, вони не можуть 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 з застарілою технологією обробки кварцових пластин. Закордонні підприємства випускають кварци з основною частотою 35 МГц.
Провідні закордонні фірми випускають резонатори у вигляді так званої зворотної мезаструктуры, що працюють на об'ємних коливання зсуву по товщині, у яких частота першої гармоніки досягає 250 МГц! Використовуючи такі кварцові резонатори в схемах генераторів, у 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!
Автор: О. Білоусов, р. Ватутіне Черкаської обл.; Публікація: М. Большаков, rf.atnn.ru