Кварцевый генератор принцип работы

Кварцевые генераторы

Всякий раз, когда генератор работает непрерывно, это влияет на его стабильность частоты . Там происходят изменения в его частоте. Основными факторами, которые влияют на частоту генератора, являются

• Варианты питания
• Изменения температуры
• Изменения нагрузки или выходного сопротивления

В RC и LC генераторах значения сопротивления, емкости и индуктивности меняются в зависимости от температуры и, следовательно, на частоту влияют. Чтобы избежать этой проблемы, пьезоэлектрические кристаллы используются в генераторах.

Использование пьезоэлектрических кристаллов в параллельных резонансных контурах обеспечивает высокую стабильность частоты в генераторах. Такие генераторы называются Кристаллическими Осцилляторами .

Кварцевые генераторы

Принцип работы кварцевых генераторов зависит от пьезоэлектрического эффекта . Естественная форма кристалла шестиугольная. Когда кристаллическая пластина изогнута перпендикулярно оси X, она называется X-разрезом, а когда она разрезается по оси Y, она называется Y-разрезом.

Кристалл, используемый в кварцевом генераторе, обладает свойством, называемым пьезоэлектрическим свойством. Итак, давайте разберемся с пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрический эффект

Кристалл проявляет свойство, заключающееся в том, что когда механическое напряжение прикладывается к одной из граней кристалла, разность потенциалов развивается на противоположных гранях кристалла. И наоборот, когда разность потенциалов прикладывается к одной из граней, вдоль других граней создается механическое напряжение. Это известно как пьезоэлектрический эффект .

Некоторые кристаллические материалы, такие как соль Рошеля, кварц и турмалин, обладают пьезоэлектрическим эффектом, и такие материалы называются пьезоэлектрическими кристаллами . Кварц является наиболее часто используемым пьезоэлектрическим кристаллом, потому что он недорог и легко доступен в природе.

Когда пьезоэлектрический кристалл подвергается действию переменного потенциала, он вибрирует механически. Амплитуда механических колебаний становится максимальной, когда частота переменного напряжения равна собственной частоте кристалла.

Работа кварцевого кристалла

Чтобы заставить кристалл работать в электронной схеме, кристалл помещают между двумя металлическими пластинами в форме конденсатора. Кварц является наиболее часто используемым типом кристаллов из-за его доступности и сильной природы, будучи недорогим. Переменное напряжение подается параллельно кристаллу.

Схема расположения кварцевого кристалла будет такой, как показано ниже —

Если подается переменное напряжение, кристалл начинает вибрировать с частотой приложенного напряжения. Однако, если частота приложенного напряжения сделана равной собственной частоте кристалла, возникает резонанс и вибрации кристалла достигают максимального значения. Эта собственная частота практически постоянна.

Эквивалентная схема кристалла

Если мы попытаемся представить кристалл эквивалентной электрической цепью, мы должны рассмотреть два случая: когда он вибрирует, а когда нет. Цифры ниже представляют символ и электрическую эквивалентную схему кристалла соответственно.

Вышеуказанная эквивалентная схема состоит из последовательной RLC-схемы, параллельной емкости C _m . Когда кристалл, установленный на источнике переменного тока, не вибрирует, он эквивалентен емкости C _m . Когда кристалл вибрирует, он действует как настроенная схема RLC.

Частотный отклик

Частотная характеристика кристалла показана ниже. График показывает реактивное сопротивление (X _L или X _C ) в зависимости от частоты (f). Очевидно, что кристалл имеет две близко расположенные резонансные частоты.

Первая — это последовательная резонансная частота (f _s ), которая возникает, когда реактивное сопротивление индуктивности (L) равно реактивному сопротивлению емкости C. В этом случае полное сопротивление эквивалентной цепи равно сопротивлению R и частота колебаний определяется соотношением,

Вторая — это параллельная резонансная частота (f _p ), которая возникает, когда реактивное сопротивление ветви RLC равно реактивному сопротивлению конденсатора C _m . На этой частоте кристалл обеспечивает очень высокое сопротивление внешней цепи, и частота колебаний определяется соотношением.

Значение C _m обычно очень велико по сравнению с C. Следовательно, значение C _T приблизительно равно C, и, следовательно, последовательная резонансная частота приблизительно равна параллельной резонансной частоте (то есть f _s = f _p ).

Схема кварцевого генератора

Схема кварцевого генератора может быть сконструирована несколькими способами, такими как кварцевый генератор с управляемым кристаллом, кварцевый генератор Колпитса, кварцевый генератор Клэпа и т. Д. Но транзисторный кварцевый генератор с пирсингом является наиболее часто используемым. Это схема, которая обычно называется схемой кварцевого генератора.

Следующая принципиальная схема показывает расположение транзисторного кварцевого генератора.

В этой схеме кристалл соединен как последовательный элемент на пути обратной связи от коллектора к основанию. Резисторы R ₁ , R ₂ и R _E обеспечивают цепь стабилизированного постоянного напряжения делителя напряжения. Конденсатор C _E обеспечивает байпас переменного тока эмиттерного резистора, а RFC (радиочастотный дроссель) катушка обеспечивает смещение постоянного тока, в то же время отделяя любой сигнал переменного тока на линиях электропередачи от воздействия на выходной сигнал. Конденсатор связи С имеет незначительное полное сопротивление на рабочей частоте цепи. Но он блокирует любой постоянный ток между коллектором и базой.

Частота колебаний схемы задается последовательной резонансной частотой кристалла, а ее значение определяется соотношением,

Можно отметить, что изменения напряжения питания, параметров транзисторного устройства и т. Д. Не влияют на рабочую частоту схемы, которая поддерживается кристаллом стабильно.

преимущества

Преимущества кварцевого генератора следующие:

• Они имеют высокий порядок стабильности частоты.
• Коэффициент качества (Q) кристалла очень высок.

Недостатки

Недостатками кварцевого генератора являются:

• Они хрупкие и могут использоваться в цепях малой мощности.
• Частота колебаний не может быть существенно изменена.

Стабильность частоты генератора

Ожидается, что генератор будет поддерживать свою частоту в течение более длительного периода времени без каких-либо изменений, чтобы иметь более плавный чистый синусоидальный выход для работы схемы. Следовательно, термин «стабильность частоты» действительно имеет большое значение, когда речь идет о генераторах, будь то синусоидальный или несинусоидальный.

Стабильность частоты генератора определяется как способность генератора поддерживать необходимую частоту постоянной в течение длительного интервала времени, насколько это возможно. Попробуем обсудить факторы, влияющие на эту стабильность частоты.

Изменение в рабочей точке

Мы уже познакомились с параметрами транзистора и узнали, насколько важна рабочая точка. Стабильность этой рабочей точки для транзистора, используемого в схеме усиления (BJT или FET), имеет большее значение.

Работа используемого активного устройства отрегулирована так, чтобы соответствовать линейной части его характеристик. Эта точка сдвигается из-за колебаний температуры, и, следовательно, это влияет на стабильность.

Изменение температуры

Цепь бака в цепи генератора содержит различные компоненты, определяющие частоту, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Все их параметры зависят от температуры. Из-за изменения температуры на их значения влияют. Это приводит к изменению частоты контура генератора.

Из-за питания

Изменения в подаваемой мощности также влияют на частоту. Изменения источника питания приводят к изменениям в V _cc . Это повлияет на частоту производимых колебаний.

Во избежание этого внедрена система регулируемого энергоснабжения. Вкратце это называется RPS. Детали регулируемого электропитания были четко обсуждены в разделе электропитания учебного пособия по электронным схемам.

Изменение выходной нагрузки

Изменения выходного сопротивления или выходной нагрузки также влияют на частоту генератора. Когда нагрузка подключена, эффективное сопротивление цепи бака изменяется. В результате добротность LC настроенной схемы изменяется. Это приводит к изменению выходной частоты генератора.

Изменения в межэлементных емкостях

Межэлементные емкости — это емкости, которые развиваются в материалах PN-перехода, таких как диоды и транзисторы. Они разработаны из-за заряда, присутствующего в них во время их работы.

Межэлементные конденсаторы претерпевают изменения по различным причинам, таким как температура, напряжение и т. Д. Эта проблема может быть решена путем подключения затухающего конденсатора через неисправный межэлементный конденсатор.

Значение Q

Значение Q (Коэффициент качества) должно быть высоким в генераторах. Значение Q в настроенных генераторах определяет селективность. Поскольку этот Q прямо пропорционален стабильности частоты настроенной цепи, значение Q должно поддерживаться на высоком уровне.

Стабильность частоты может быть математически представлена как

$$ S_w = d theta / dw $$

Где dθ — сдвиг фазы, введенный для небольшого изменения частоты номинальной частоты f _r . Схема, дающая большее значение (dθ / dw), имеет более стабильную частоту колебаний.

Кварцевые генераторы на биполярных и полевых транзисторах, а также

цифровых КМОП и ТТЛ микросхемах. Осцилляторные схемы генераторов
стабильной частоты, онлайн калькулятор расчёта элементов.

Параметр стабильности LC-генератора при условии качественного исполнения данного узла, наличия высокодобротных катушек и конденсаторов с подобранными ТКЕ может достигать достаточно высоких значений. Это даёт возможность радиолюбителю, не направляя свой взгляд в сторону цифровых аксессуаров, вести комфортный приём/передачу однополосных сигналов в частотном диапазоне работы ГПД до 10-15Мгц.
Можно, конечно, попытаться залезть и повыше, но ненамного — начинают возникать нюансы. С одной стороны, чем дальше влез, тем больше интерес, с другой — становится всё труднее удержать частоту генератора в сфере своего влияния. А при частотах колебаний свыше 30МГц, долговременная относительная нестабильность генератора становится таковой, что «голос любителя, радостно вещающего однополосным SSB сигналом о преимуществах «Яги» перед «Двойным квадратом», начинает плавно глиссандировать от убедительного баритона Левитана до легкомысленного тенора оперной дивы».
И вот тут уже — жить без кварцевого резонатора становится сложновато. Причём окварцованный генератор может использоваться как готовый гетеродин на фиксированную частоту, так и в качестве опорника для цифрового синтезатора частоты.

Кварцевый резонатор (кварц) — радиоэлемент, в котором явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы.
Добротность кварцевых резонаторов во много раз превышает добротность резонаторов на LC-контурах и составляет 10 4 . 10 6 . Долговременная относительная нестабильность частоты — не хуже чем 10 -6 . 10 -8

Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора в схемах генераторов, надо рассмотреть его эквивалентную схему:

а частота параллельного:
.

Произведя несложные математические манипуляции, получаем:

Поскольку на практике Сo≫Ck, то расхождение между частотами параллельного и последовательного резонансов невелико — максимальная разность близка к 0,4% от паспортной частоты кварца. Также не составит особого труда заметить, что Fпар всегда > Fпосл.

Для интересующихся приведу некоторые типичные значения параметров эквивалентной схемы кварцевых резонаторов.

F (Мгц)	Lk (мГн)	Ck (пФ)	Rk (Ом)	Cо (пФ)
1	1910	13,3×10 -3	200	5
10	28,6	8,86×10 -3	12	4
12	24	7,368×10 -3	12	4
20	11,94	5,3×10 -3	10	3,5

Переходим к некоторым расхожим схемам генераторов с кварцевой стабилизацией частоты.

В ёмкостной трехточке по схеме Пирса (Рис.2) биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером.
Резисторы R1 и R2 задают режим работы транзистора T1 по постоянному току, и выбираются исходя из тока покоя транзистора 1-5мА в зависимости от частоты генерируемого сигнала.

При возбуждении кварцевого резонатора на нечётных механических гармониках кварца, вместо резистора R3 включают катушку индуктивности L1 (Рис.3).
Параметры контура следует выбирать так, чтобы его собственная частота составляла 0,7. 0,8 от частоты генерации. В результате контур имеет ёмкостную проводимость на частоте необходимой гармоники, что исключает возможность генерации на низших гармониках и основной частоте.

Значительно большим фазовым запасом для возникновения условий генерации обладают схемы ёмкостных трёхточек Пирса, выполненные на полевых транзисторах, либо КМОП микросхемах, в том числе и цифровых. Объясняется это высоким входным сопротивлением подобных устройств, что, в свою очередь, создаёт более правильные условия для работы цепей фазовращателя.

Схемы, выполненные на полевых транзисторах (Рис.4,5), аналогичны схемам свох биполярных аналогов.
Резистор R3 определяет режим работы Т1 по постоянному току, и выбирается исходя из необходимого тока покоя транзистора (1-5мА).

Генераторы Пирса вполне заслуженно считаются генераторами с наилучшей кратковременной стабильностью частоты, однако обладают определённым набором недостатков — как то: относительная сложность, необходимость качественной стабилизации базового тока транзистора, а также то, что ни один из выводов кварцевого резонатора не подключён к шине корпуса.

Отчасти указанных недостатков лишён генератор Колпитца — схемотехническое решение ещё одного трехточечного кварцевого генератора, в котором транзистор активного элемента по переменному току включён по схеме с общим коллектором. При этом кварцевый резонатор, имеющий индуктивный характер реактивного сопротивления, входит в состав параллельного резонансного контура, один из выводов которого может быть подключён к земляной шине.

На Рис.7 приведена базовая схема кварцевого генератора Колпитца при условии возбуждения резонатора на основной частоте.

Схема для возбуждения кварцевого генератора на 3-5 механической гармонике кварца (Рис.9) была замечена в datasheet-е на буржуйскую микросхему SA612A.

На высоких частотах, вплоть до 300МГц, целесообразно применять однокаскадные схемы генераторов с общей базой (Рис.11).

Рис.11Рис.12 Рис.13 Рис.14

Схемы, приведённые на Рис.11 и Рис.12 функционально абсолютно идентичны, хотя первая из них представляет индуктивную трёхточку с кварцевым резонатором, выполненную по схеме Хартли, а вторая ёмкостную — по схеме Колпитца.
Для возникновения колебаний необходимо, чтобы колебательный контур был настроен на частоту кварцевого резонатора, либо на частоту, равную кратной основной частоте гармоники.
Дальнейшего улучшения условия самовозбуждения этих автогенераторов на высоких частотах можно добиться, включив параллельно кварцу дополнительную катушку индуктивности L2 (Рис.13 и Рис.14). Контур, образованный параллельной ёмкостью кварца Со и катушкой L2, настраивают на частоту используемой гармоники.
Точно также как и в предыдущих случаях, биполярный транзистор лёгким движением руки может быть заменён на полевой с соответствующими цепями смещения.

ВАЖНО!
1. К источнику питания любые ВЧ генераторы, в том числе и окварцованные, следует подключать через интегрирующую RC цепочку, представляющую из себя резистор номиналом несколько сотен Ом (в зависимости от рабочего тока транзистора) и конденсатор, идущий одним выводом на землю, ёмкостью 0,1МкФ.
2. Каскады, подключаемые к выходу генератора, должны иметь достаточно высокое входное сопротивление. Идеально — если это будут цепи, реализованные на полевых транзисторах.
3. Разделительные конденсаторы, нарисованные на схемах последовательно с кварцевыми резонаторами, призваны отсечь от кварца постоянное напряжение. Кто-то их ставит, кто-то нет — по-любому, внятных теоретических обоснований по поводу вреда здоровью резонаторов от постоянки я не встречал. Так, что считайте присутствие этих элементов факультативным, хуже точно не будет, лучше — вполне вероятно.

4. Базовая схема кварцевого генератора на цифровой микросхеме (Рис.6) отлично работает в широком диапазоне частот и не требует никаких модификаций. Многочисленные 2-3 вентильные вариации на заданную тему большого смысла не имеют, так как обладают худшими частотными свойствами. Разве, что можно обратить внимание на схему, приведённую на Рис.15, которая за счёт более высокого общего коэффициента усиления создаёт дополнительные условия для устойчивой генерации и меньшей зависимости от номиналов ёмкостей.
Рис.15

Ну и по традиции — калькулятор в студию!

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Приведённый калькулятор не претендует на 100% достоверность, так не в состоянии учитывать реальные характеристики применяемых резонаторов, однако, в большинстве случаев поможет радиолюбителю не допустить явных ошибок и запустить устройство без шаманства и танцев с бубнами.

А на следующей странице рассмотрим схемы кварцевых генераторов, обладающих способностью плавной перестройки в некотором не очень широком диапазоне частот.

Кварцевый генератор

Ква́рцевый генера́тор — автогенератор электромагнитных колебаний с колебательной системой, в состав которой входит кварцевый резонатор. Предназначен для получения колебаний фиксированной частоты с высокой температурной и временно́й стабильностью, низким уровнем фазовых шумов.

Содержание

Характеристики

Частота

Частота собственных колебаний кварцевого генератора может находиться в диапазоне от нескольких кГц до сотен МГц. Она определяется физическими размерами резонатора, упругостью и пьезоэлектрической постоянной кварца, а также тем, как вырезан резонатор из кристалла. Так как кварцевый резонатор является законченным электронным компонентом, его частоту можно изменять внешними элементами и схемой включения в очень узком диапазоне выбором резонансной частоты (параллельный или последовательный) или понизить параллельно включённым конденсатором. Существуют, однако, кустарные методики подстройки резонатора. Это целесообразно в случаях, когда желательно иметь несколько резонаторов с очень близкими параметрами. Для уменьшения частоты на кристалл кратковременно воздействуют парами йода (это увеличивает массу серебряных обкладок), для увеличения частоты обкладки резонатора шлифуют.

В 1997 году компания Epson Toyocom выпустила в свет серию генераторов SG8002, в конструктиве которых присутствуют блок подстроечных конденсаторов и два делителя частоты. Это позволяет получить практически любую частоту в диапазоне от 1 до 125 МГц. Однако, данное достоинство неизбежно влечёт за собой недостаток — повышенный джиттер (фазовый шум). Цитата: Генератор с внутренними цепями фазовой автоподстройки частоты необходимо с предельной осторожностью применять в схемах, содержащих внешние цепи ФАПЧ. [1]

Стабильность частоты

Колебания кварцевого генератора характеризуются высокой стабильностью частоты (10 −5 ÷ 10 −12 ), что обусловлено высокой добротностью кварцевого резонатора (10 4 ÷ 10 5 ).

Уровень фазовых шумов

У лучших генераторов спектральная плотность мощности фазовых шумов может быть менее −100 дБн/Гц на отстройке 1 Гц и менее −150 дБн/Гц на отстройке 1 кГц при выходной частоте 10 МГц.

Тип выходного сигнала

Генераторы могут изготавливаться как в модификации с синусоидальным выходным сигналом, так и с сигналом прямоугольной формы, совместимым по логическим уровням с одним из стандартов (TTL, CMOS, LVCMOS, LVDS и т. д.).

Наличие и тип термостабилизации

• термокомпенсированные (TCXO)
• термостатированные (OCXO, DOCXO)

Возможность перестройки частоты

• фиксированной частоты
• частота управляется напряжением (VCXO)
• частота управляется цифровым кодом (NCXO)

Принцип работы

Внешнее напряжение на кварцевой пластинке вызывает её деформацию. А она, в свою очередь, приводит к появлению зарядов на поверхности кварца (пьезоэлектрический эффект). В результате этого механические колебания кварцевой пластины сопровождаются синхронными с ними колебаниями электрического заряда на её поверхности и наоборот.

Для обеспечения связи резонатора с остальными элементами схемы непосредственно на кварц наносятся электроды, либо кварцевая пластинка помещается между обкладками конденсатора.

Для получения высокой добротности и стабильности резонатор помещают в вакуум и поддерживают постоянной его температуру.

Использование

Кварцевые генераторы используют для измерения времени (кварцевые часы), в качестве стандартов частоты. Кварцевые генераторы широко применяются в цифровой технике в качестве тактовых генераторов.

См. также

• Кварц
• Кварцевый резонатор
• Генератор электронный
• Генератор Пирса
• Генератор тактовых импульсов

Примечания

1. ↑Однократно программируемые кварцевые генераторы Epson

Литература

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Кравченко, Валерий Трофимович
• Клингоны

Смотреть что такое «Кварцевый генератор» в других словарях:

КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР — автогенератор эл. магн. колебаний с колебат. системой, в состав к рой входит кварцевый резонатор. Предназначен для получения колебаний с высокой стабильностью частоты. Принцип построения электрич. схемы К. г. и его действия такие же, как и у… … Физическая энциклопедия

кварцевый генератор — Генератор переменного напряжения, стабилизирующим элементом частоты которого является кварцевый резонатор или пьезоэлемент. [ГОСТ 22866 77] Тематики кварцевые генераторы EN crystal oscillator … Справочник технического переводчика

Кварцевый генератор — маломощный генератор электрических колебаний высокой частоты, в котором роль резонансного контура играет кварцевый резонатор пластинка, кольцо или брусок, вырезанные определённым образом из кристалла кварца. При деформации кварцевой… … Большая советская энциклопедия

кварцевый генератор — маломощный генератор электрических колебаний высокой частоты, в котором колебательной системой служит кварцевый пьезоэлектрический резонатор или пьезоэлемент. Это пластинка, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца. При деформации… … Энциклопедия техники

кварцевый генератор — kvarcinis generatorius statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. crystal oscillator; crystal controlled oscillator; quartz oscillator vok. Quarzgenerator, m; Quarzoszillator, m rus. кварцевый генератор, m pranc. oscillateur à cristal, m;… … Automatikos terminų žodynas

кварцевый генератор — kvarcinis generatorius statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Generatorius, kuriantis elektrinius virpesius, kurių dažnis stabilizuojamas kvarciniu rezonatoriumi. atitikmenys: angl. quartz generator; quartz oscillator vok.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

кварцевый генератор — kvarcinis generatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. crystal oscillator; quartz oscillator vok. Quarzoszillator, m rus. кварцевый генератор, m pranc. oscillateur à cristal, m; oscillateur à quartz, m … Fizikos terminų žodynas

кварцевый генератор, управляемый напряжением — кварцевый ГУН Высокостабильный подстраиваемый генератор, в котором в качестве частотозадающего элемента использован кварцевый резонатор. [Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Англо русский толковый словарь справочник. Под редакцией Ю.М … Справочник технического переводчика

кварцевый генератор синхронизации — kvarcinis sinchronizavimo generatorius statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. crystal timing oscillator vok. kristallgesteuerter Synchronisationsoszillator, m rus. кварцевый генератор синхронизации, m pranc. oscillateur de… … Radioelektronikos terminų žodynas

дискретный кварцевый генератор — Кварцевый генератор, кварцевый резонатор и другие элементы которого представляют собой дискретные элементы, имеющие гальванические связи. [ГОСТ 22866 77] Тематики кварцевые генераторы EN crystal oscillator with discrete elements … Справочник технического переводчика

Кварцевые генераторы

Кварцевые генераторы

Относительная нестабильность частоты автогенераторов, выполняемых на резонаторах в виде LC-контуров, обычно не ниже 10 -3 . 10 -4 . Стабильность частоты генератора существенно зависит от добротности и стабильности колебательной системы. Добротность LC-контура обычно не выше 200. 300. К современным радиопередатчикам и приемникам предъявляются более высокие требования по стабильности частоты. Обычно требуется долговременная относительная нестабильность частоты не хуже чем 10 -6 . 10 -8 , что можно обеспечить, применяя кварцевые резонаторы. Добротность кварцевых резонаторов во много раз превышает добротность резонаторов на LC-контурах и составляет 10 4 . 10 6 .

Существует много схем кварцевых автогенераторов. Поэтому возникла необходимость рассмотреть наиболее часто применяемые на практике схемы. Общепринятая эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена на рис.1. Динамическая индуктивность Ls, динамическая емкость Cs и сопротивление потерь Rs обусловлены наличием прямого и обратного пьезоэффекта и резонансными свойствами пьезоэлемента. Параллельная емкость Ср обусловлена межэлектродной емкостью пьезоэлектрика, емкостью корпуса и монтажа. Резонансная частота динамической ветви называется частотой последовательного резонанса кварцевого резонатора Fs. Добротность кварцевого резонатора Q определяется динамической ветвью в соответствии с формулой для последовательного колебательного контура Q =(2pFsLs)/Rs

Частота параллельного резонанса Fp несколько выше Fs, что обусловлено параллельным резонансом Ср, Cs и Ls. Важным параметром кварцевого резонатора является отношение его параллельной емкости к динамической, обозначаемое г и называемое емкостным коэффициентом r=Cc/Cs

По разным литературным источникам, емкостной коэффициент для АТ-среза кварца равен 220. 250. Учитывая, что Cs/Cp 25 резонансный интервал, определяемый как разность между частотами параллельного и последовательного резонансов кварцевого резонатора, можно записать в виде dF=Fs/2r. На механических гармониках кварцевого резонатора резонансный интервал уменьшается и определяется выражением dFn=Fs/(2rn2), где n — номер гармоники.

Емкостной коэффициент определяет величину резонансного промежутка резонатора, следовательно, девиацию частоты управляемого кварцевого генератора, стабильность частоты при изменении параметров схемы, условия возникновения и поддержания колебаний в схеме кварцевого автогенератора. Для оценки способности кварцевого резонатора возбуждаться, в некоторых схемах кварцевых генераторов используют параметр, называемый фактором качества. Он определяется как отношение добротности резонатора к его емкостному коэффициенту м=Q/r.

Для кварцевых резонаторов значения М лежат в пределах от 1 до 10000. При М 2 резонатор имеет область индуктивной реакции, и чем больше значение М, тем эта область шире. На практике шире всего распространены два вида кварцевых генераторов: а) генераторы, в которых кварцевый резонатор является частью колебательного контура и эквивалентен индуктивности; б) генераторы, в которых кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи, используется как узкополосный фильтр и эквивалентен активному сопротивлению.

Кварцевые генераторы, в которых кварцевый резонатор используется в качестве элемента контура с индуктивной реакций, называют осцилляторными, а генераторы, в которых кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи, называют генераторами последовательного резонанса.

Осцилляторная схема кварцевого генератора с кварцем между коллектором и базой, выполненная по схеме с заземленным эмиттером (емкостная трехточка) приведена на рис.2.

В настоящее время емкостная трехточка находит широкое применение в диапазоне частот до 22 МГц при работе резонатора на основной частоте, и до 66 МГц при возбуждении на третьей механической гармонике (рис.3). Автогенератор с кварцевым резонатором между коллектором и базой в схеме с заземленным по высокой частоте эмиттером, не склонен к паразитным колебаниям на ангармонических обертонах, имеет превосходную стабильность частоты при изменении питающего напряжения и температуры окружающей среды.

Влияние изменений реактивных параметров транзистора, зависящих от напряжения питания и времени,ослабляется с ростом емкостей С1, СЗ (рис.2), т.е. с приближением рабочей частоты автогенератора к Fg. Однако чрезмерное увеличение емкостей приводит к ухудшению условий самовозбуждения. С другой стороны, с увеличением емкостей растет рассеиваемая на резонаторе мощность, что ведет к увеличению нестабильности генерируемой частоты. По техническим условиям рассеиваемая мощность на кварце ограничена 1. 2 мВт. Однако в диапазоне частот 1. 22 МГц при такой рассеиваемой мощности частота последовательного резонанса зависит от рассеиваемой мощности, а коэффициент пропорциональности составляет (0,5. 2) •10-9 Гц/мкВт, поэтому для высокостабильных генераторов рассеиваемую мощность на резонаторе следует ограничить величиной 0,1. 0,2 мВт.

На практике рекомендуется выбирать емкости С1, СЗ так, чтобы частота генерации отстояла от Fs не более чем на четверть резонансного интервала. При возбуждении кварцевого резонатора на нечетных механических гармониках кварца, вместо резистора R3 включают катушку индуктивности Lк (рис.3). На частоте генерации контур Lк-С4 должен иметь емкостное сопротивление, т.е. его резонансная частота должна быть ниже частоты генерации. Параметры контура следует выбирать так, чтобы его собственная частота составляла 0,7. 0,8 от частоты генерации. В результате контур имеет емкостную проводимость на частоте необходимой гармоники, что исключает возможность генерации на низших гармониках и основной частоте.

В осцилляторных генераторах, работающих на частоте выше 22 МГц, резонатор обычно возбуждают на 3-й или 5-й гармонике, но не на более высоких, так как сильно сказывается влияние параллельной емкости. Чаще чем приведенная на рис.2, применяется емкостная трехточечная схема кварцевого генератора с кварцевым резонатором между коллектором и базой в схеме включения транзистора с заземленным коллектором (рис.4). Эта схема особенно удобна для генераторов с электронной перестройкой частоты (при включении последовательно с кварцем варикапа), и имеет меньшее количество блокировочных элементов, чем схема с заземленным эмиттером. Многие специалисты в области кварцевых генераторов считают емкостную трехточку наилучшей из всех схем кварцевых генераторов, работающих на основной или 3-й механической гармонике резонатора. Следует отметить, что существует схема емкостной трехточки, не содержащая индуктивности, которая возбуждается на 3-й и 5-й гармониках.

Puc.4Puc.5

Автогенератор с кварцем в контуре. Если в схеме на рис.4 последовательно с кварцем включить катушку индуктивности L1, это приведет к появлению новых свойств, т.е. в генераторе (рис.5) возможны автоколебания, не стабилизированные кварцевым резонатором. На высоких частотах, где реактивное сопротивление параллельной емкости резонатора меньше реактивного сопротивления динамической ветви кварцевого резонатора, возможно самовозбуждение через параллельную емкость Ср. Наличие индуктивности L1 означает возможность выполнения баланса фаз на

частоте последовательного резонанса, а также в некоторой области расстроек ниже частоты последовательного резонанса. Индуктивность L1 обеспечивает выполнение баланса фаз в условиях, когда М
Puc.6

В этой схеме удается возбудить кварцевые резонаторы на 5-й или 7-й гармониках. Схемы с нейтрализацией статической емкости резонатора весьма критичны к режиму работы и сложны в регулировке, хотя их можно применять на частотах до 100 МГц. Верхний предел частот генератора с нейтрализацией обусловлен трудностью получения большого эквивалентного сопротивления контура с ростом частоты, так как начальную емкость контура нельзя сделать малой из-за паразитных емкостей.

Схема Батлера (рис.7) характеризуется наибольшей устойчивостью к дестабилизирующим факторам в диапазоне до 100 МГц. Верхний предел генерируемых частот обусловлен ухудшением свойств эмиттерного повторителя. В схеме Батлера кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи между эмиттерами транзисторов. Транзистор VT1 включен по схеме с общим коллектором, а транзистор VT2 — с общей базой. Недостатком этой схемы является склонность к паразитному самовозбуждению из-за связи выхода со входом через параллельную емкость кварца Ср. Для устранения этого явления параллельно кварцу подключают катушку индуктивности, образующую совместно с параллельной емкостью кварца резонансный контур, настраиваемый на частоту паразитного колебания.

Puc.7

Автогенератор по схеме Батлера на одном транзисторе с компенсацией Ср. На частотах до 300 МГц целесообразно применять однокаскадные схемы фильтров, например, схему фильтра с общей базой (рис.8). По существу, такой автогенератор представляет собой однокаскадный усилитель, в котором контур соединен с эмиттером биполярного транзистора через кварцевый резонатор, выполняющий роль узкополосного фильтра. Контур, образованный параллельной емкостью кварца Ср и катушкой L2, настраивают на частоту используемой гармоники. С увеличением рабочей частоты возрастают эквивалентные проводимости транзистора, т.е. выполнение условий самовозбуждения ухудшается. Однако, несмотря на это, условия самовозбуждения этого автогенератора на высоких частотах выполняются легче, чем автогенераторов с кварцем между коллектором и базой и кварцем в контуре, что определяет его преимущество.

Puc.8

В заключение необходимо отметить, что рассмотренные схемы кварцевых генераторов не исчерпывают всего многообразия схем генераторов, стабилизированных кварцевым резонатором, и на выбор схемы решающее влияние оказывают наличие кварцевых резонаторов с необходимыми эквивалентными параметрами, требования к выходной мощности, к мощности, рассеиваемой на резонаторе, долговременной стабильности частоты и др.

Немного о резонаторах. При выборе резонатора для генератора особое внимание следует обращать на добротность резонатора — чем она выше, тем стабильнее частота. Наибольшей добротностью обладают вакуумированные резонаторы. Но чем добротнее резонатор, тем он дороже. Часто встречаются резонаторы с большим уровнем побочных резонансов.

В СССР, кроме резонаторов из кварца, выпускались резонаторы из ниобата лития (с маркировкой РН или РМ), танталата лития (с маркировкой РТ) и из других пьезоэлектриков. Так как эквивалентные параметры таких резонаторов отличаются от параметров кварцевых резонаторов, они могут не возбуждаться в схемах, в которых отлично работают кварцы, хотя частота, маркированная на корпусе, может быть одинаковой. У них могут быть хуже стабильность частоты и точность настройки. Предприятия СССР, как правило, выпускали кварцевые резонаторы с основной частотой до 20. 22 МГц, а выше — на механических гармониках. Это связано с устаревшей технологией обработки кварцевых пластин. Зарубежные предприятия выпускают кварцы с основной частотой 35 МГц. Ведущие зарубежные фирмы выпускают резонаторы в виде так называемой обратной мезаструктуры, работающие на объемных колебаниях сдвига по толщине, у которых частота первой гармоники достигает 250 МГц! Используя такие кварцевые резонаторы в схемах генераторов, в которых в качестве колебательных систем применяются системы с распределенными параметрами индуктивности и емкости, можно получить высокостабильные колебания вплоть до частоты 750 МГц без умножения частоты!

Обзор кварцевых генераторов GEYER ELECTRONIC

Компания GEYER ELECTRONIC была основана в 1964 г. и уже несколько десятилетий является одним из лидеров в сфере производства кварцевых резонаторов, генераторов и аналогичных продуктов для формирования частотных сигналов. В дополнение к этому фирма развивает свою деятельность в таких областях, как электрические батареи, аккумуляторы и технологии их зарядки. Высочайшее качество, соответствие высоким требованиям надежности и безопасности — главные особенности продукции фирмы. Чтобы охарактеризовать основные параметры генераторов, стоит вначале рассмотреть принцип действия кварцевых резонаторов и генераторов.

Принцип действия кварцевых резонаторов и генераторов

Принцип работы кварцевых резонаторов основан на применении пьезоэлектрического эффекта.

Некоторые вещества и кристаллы обладают несимметричной структурой (ацентрические кристаллы). Механические силы, действующие на такие кристаллы, вызывают в них не только механические напряжения, но и электрическую поляризацию. В результате на поверхности кристалла образуются заряды. Такой эффект и называют прямым пьезоэлектрическим эффектом, а кристаллы, соответственно, пьезоэлектриками. Самым распространенным пьезоэлектрическим материалом являются кристаллы кварца.

Существует и обратный пьезоэффект: при воздействии на пьезоэлектрик электрического поля в его структуре возникают механические деформации.

Кварцевый резонатор представляет собой специальным образом распиленный, обработанный и сориентированный кристалл кварца, с внешними электродами, расположенными с противоположных сторон. В процессе работы такой резонатор использует и прямой, и обратный пьезоэффект, в нем происходит постоянное преобразование электрического поля в механические деформации и обратно. Однако, с точки зрения электрической схемы, эти механические колебания остаются в стороне, хотя играют важнейшую роль, поскольку они во многом определяют резонансную частоту.

Внешне конструкция резонатора напоминает конструкцию конденсатора, но наличие пьезоэффекта определяет некоторые особенности его поведения. Характер изменения проводимости в области частот, близких к резонансу, оказывается таким же, как и у колебательного контура, что позволяет применять эквивалентную схему замещения. Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора содержит четыре элемента (рис. 1). Элементы L1, C1, R1 называют динамическими или эквивалентными индуктивностью, емкостью и сопротивлением соответственно. Емкость С0 называют параллельной емкостью. Такая схема хорошо объясняет наличие резонансной частоты.

Рис. 1. Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Кварцевый генератор представляет собой комплексный компонент, который содержит генератор, кварцевый резонатор и цепи управления. Простейшая схема включения кварцевого генератора требует только подачи питающего напряжения (рис. 2).

Рис. 2. Схема включения стандартного кварцевого генератора

Генераторы имеют целый ряд важных параметров, определяющих их применимость в тех или иных случаях.

Основные параметры кварцевых генераторов

Все генераторы имеют ряд общих параметров.

Частота

Основной параметр генератора. Значение частоты колебаний генератора может лежать в очень широких пределах — от единиц кГц до тысяч МГц. По характеру возможности изменения частоты генераторы делят на две группы:

• стандартные и прецизионные генераторы с фиксированной частотой (Crystal Oscillator, XO и Precision Crystal Oscillator, PXO);
• генераторы с подстраиваемой частотой, например с частотой, управляемой напряжением.

Для генераторов, управляемых напряжением и не использующих стабилизацию частоты кварцевым резонатором (Voltage Control Oscillators, VCO), указывают чувствительность подстройки (Tuning Sensitivity, МГц/В).

Кварцевые генераторы, управляемые напряжением и использующие стабилизацию частоты кварцевым резонатором (Voltage Control Crystal Oscillators, VCXO), имеют небольшой диапазон подстройки частоты из-за высокой добротности кварцевого резонатора. Для них указывают диапазон подстройки (Frequency Adjustment/Pullability/Pulling Range, ppm).

Стабильность частоты

Кварцевый генератор обладает высокой стабильностью благодаря высокой стабильности кварцевого резонатора. Однако стоит помнить, что на стабильность резонатора могут влиять различные факторы: температура, старение, давление, радиация, механические воздействия. Как правило, основным дестабилизирующим фактором является температура, поэтому в документации указывают стабильность частоты для конкретного температурного диапазона. С целью уменьшения температурной зависимости используют два основных метода: термостатирование и термокомпенсирование.

В термокомпенсированных кварцевых генераторах (Temperature Compensated Crystal Oscillator, TCXO) используются специальные электрические цепи и элементы, которые обеспечивают автоматическую подстройку частоты. В качестве таких элементов могут выступать термисторы и варикапы, которые также имеют температурную зависимость, помогающую компенсировать зависимость резонатора.

Джиттер

Джиттер (jitter) характеризует фазовое случайное «дрожание» сигнала (рис. 3). Реальный генератор дает не идеальную частоту сигнала: значения длительности каждого периода отличаются друг от друга. Для характеристики этого «дрожания» применяют:

• случайный джиттер (random jitter);
• максимальный джиттер (peak-to-peak jitter).

Рис. 3. Параметры тактового сигнала

Симметричность

Симметричность (symmetry) сигнала — соотношение длительности полупериода сигнала к полному периоду (рис. 3). Важным является как само значение симметрии, так и его допуск на точность.

Длительность фронтов

Длительность фронтов (rise & fall time max) — это время нарастания и спада входных сигналов (рис. 3). Данный параметр важен для приемников тактового сигнала, склонных к возникновению глитчей. Как правило, он не является критичным, если и генератор, и приемник сигнала соответствуют стандартам на уровни и форму сигналов.

Время запуска

Время запуска (start up time) — это время, проходящее от момента подачи питания на микросхему генератора до возникновения стабильного тактового сигнала.

Напряжение питания

Для стандартных генераторов напряжение питания определяет амплитуду выходного сигнала. Соответственно, генератор необходимо выбирать с учетом логических уровней напряжения используемых логических схем (процессоров, микроконтроллеров и т. д.). Одним из способов актуального для современной электроники сокращения потребляемой мощности является уменьшение питающих напряжений: чем меньше питающее напряжение, тем меньше потери мощности и токи потребления.

Ток потребления

Как было сказано выше, ток потребления будет увеличиваться с ростом частоты и напряжения. Поэтому производители указывают ток потребления для определенного диапазона частот и конкретных напряжений. Например, в таблице 1 приведены значения потребляемого тока для серии KXO-V95.

Частота, МГц

Ток потребления (типовой), мА

Кварцевый генератор. Схема. Достоинства и недостатки.

Для получения гармонических колебаний с малыми искажениями используют инерционно-нелинейную цепь ООС. Нужный характер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала уменьшается R3 (термистор) или увеличивается R4 (позистор).

Если необходима высокая стабильность, используется кварцевый генератор.

Условие баланса амплитуд:

Достоинство: очень высокая стабильность. (нестабильность 10 -5 -10 -7 при усилении термостатирования)

Недостатки: невозможность перестройки частоты (возможна только подстройка с ухудшением стабильности без замены кварцевогорезонаторва.)

Мультивибраторы (генераторы прямоугольных колебаний). Схема.

Мультивибраторомназывается генератор периодически повторяющихся импульсов прямоугольной формы (выполняются на основе триггера Шмита). Мультивибратор является автогенератором и работает без подачи входного сигнала. Рассматриваемый генератор является симметричным и для него длительность импульса и паузы равны t_и=t_n=R₂C×ln(1+ ), при R₃=R₄t_и=t_п=R₂C×ln3, период повторения импульсов Т_п=(t_и+t_п)=2t_и, скважность Q= . Изменяя t=R₂C и величины R₃, R₄, можно регулировать длительность, частоту и амплитуду импульсов.

Предположим, что на выходе напряжение +12В, а на неинвертирующем входе +2В. Конденсатор заряжается через до +2В. Так как напряжение на инвертирующем входе становится больше, чем на неинвертирующем входе, происходит переброс триггера Шмита, на выходе устанавливается максимальное отрицательное напряжение (-12В), на неинвертирующем входе -2В. Конденсатор перезаряжается через до -2В и т.д.

> . при включении питания треггер Шмидта устанавливается в одно из стационарных состояний. НапримерU_вых=+ U_maxвых

U_выхчерез R1 начинает заряжать С1. И как только UC1 станет равным U_А, пройзойдет перенос триггера Шмидта в противоположное состояние и U_вых=- U_maxвых. и это станет перезаряжать конденсатор.

Компенсационные. Параметрические. Достоинства и недостатки.

Компенсационные источники питания. Параметрические. Достоинства и недостатки.

В параметрических стабилизаторах используется постоянство напряжения некоторых видов приборов при изменении протекающеего через них тока. Из полупроводниковых приборов таким свойством обладает стабилитрон. Достоинства: простота. Недостатки: малый коэффициент стабилизации и дискретность значений U_вых

Компенсационныестабилизаторы напряжения обладают более высоким коэффициентом стабилизации и меньшим выходным сопротивлением по сравнению с параметрическими. Их принцип работы основан на том, что изменение напряжения на нагрузке (под действием изменения U_вхили I_н) передается на специально вводимый в схему регулирующий элемент, препятствующий изменению напряжения U_н. Регулирующий элемент может быть включен либо параллельно нагрузке, либо последовательно с ней.

Достоинства: больший коэффициент стабилизации подавления пульсации. Недостатки: часто требуется дополнительный источник питания, склонность к самовозбуждению, сложность.

В зависимости от этого различают: параллельные и последовательные(Достоинства: более высокий кпд при работе на переменную нагрузку, отсутствие потерь мощности при работе без нагрузки¸ недостатки: требуются специальные меры защиты от перегрузок по току и к.з.).

Линейный параметрический параллельный:стабилизирует действие за счет параметров стабилитрона

Достоинства: не боится к.з.

Недостаток: низкий кпд.

Применение: маломощные схемы.

Высокая крутизна обратной ветви ВАХ в области пробоя. Напряжение почти неизменно в широком диапазоне токов.

Линейный параметрический последовательный

Достоинства: высокий кпд.

Недостатки: боится к.з. нагрузки (требует специальных мер по защите от к.з.)

Применение: в схемах, не требующих высокого коэффициента стабилизации.

Линейный компенсационный последовательный

Если напряжение на нагрузке станет больше опорного Uоп, то Uвых уменьшится, а значит уменьшится Uб1, Uэ1 и Uн.