Автогенераторы со стабилизацией частоты по кварцу

Источники опорных колебаний диапазона частот от 1 кГц до 100 МГц с кратковременной нестабильностью частоты порядка 10″ ⁵… 10″ ⁸ обычно выполняются на основе транзисторных LC-reнераторов со стабилизирующим кварцевым резонатором.

Стабилизирующий частоту резонатор вырезается в виде плоской пластины прямоугольной или круглой формы из искусственного кристалла кварца под определенным углом к его кристаллографическим осям, что позволяет достигнуть термокомпенсации в определенном температурном интервале. Противоположные грани пластины металлизируются, образуя плоский конденсатор со статической емкостью С₀, в котором под действием высокочастотного напряжения на обкладках происходят колебания сдвига по толщине пластины с закрепленными концами. Частота колебаний, при которой на толщине пластины укладывается половина длины волны в кварце, определяется толщиной вырезанной пластины:

где М — размерный коэффициент, зависящий от типа среза (М «* 1,7…3 МГц мм); И — толщина пластины, мм.

Кварцевые резонаторы могут быть выполнены с низкой резонансной частотой (до 1 …5 кГц), но пластина резонатора при этом будет излишне громоздкой и массивной, так что целесообразно использовать более высокочастотные резонаторы. Основная резонансная частота кварцевых резонаторов, как правило, не превышает 25…40 МГц, что обусловлено возможностями закрепления сверхтонких пластин пьезокварца. В дорогих моделях кварцевых резонаторов с особым срезом и непрямоугольной формой основная частота достигает 100… 130 МГц. Однако это снижает эквивалентную добротность резонатора и увеличивает частотную нестабильность источника опорных колебаний.

Пластины кварцевых резонаторов проявляют резонансные свойства на обертонах с нечетными номерами, когда на той же толщине укладывается 3, 5, 7 полуволн механических колебаний с входной частотой. Использованием таких механических гармоник кварцевого резонатора можно повысить частоту выходных электрических колебаний кварцевого автогенератора. Использование высоких (седьмой и выше) механических гармоник снижает достижимую стабильность частоты. Вакуумирование кварцевого резонатора повышает его устойчивость к вариациям давления, влажности и снижает фазовые шумы. Специфической особенностью кварцевых резонаторов является эффект их старения. Наибольший дрейф частоты (порядка 1… 10 млн^-1) наблюдается за первый год работы резонатора, в последующие годы эта величина снижается в 3 — 5 раз.

Рис. 2.2. Обозначение кварцевого резонатора (а), его эквивалентная схема вблизи одной из частот механического резонанса (б) и последовательная схема замещения (в):

Для расчета автогенератора с кварцевым резонатором (рис. 2.2, а) используют в окрестности выбранной резонансной частоты эквивалентную схему, показанную на рис. 2.2, б. Схеме, представленной на рис. 2.2, 5, соответствует полное сопротивление г_кв(/) =.

= КЛ) + Дк.(/), где R_KB(f) и ХМ) — соответственно активная и реактивная составляющие последовательной схемы замещения (рис. 2.2, в). Они изменяются в окрестности резонанса, как показано на рис. 2.3. Колебательный контур на схеме, представленной на рис. 2.2, б, имеет две собственные частоты: частоту последовательного резонанса динамической ветви /_кв =.

С₀ — емкость кварцедержателя;

С_к, — динамические параметры резонатора, характеризующие соответственно инерционные и упругие свойства пластины; — сопротивление активных потерь в пластине; /?*,(/). ХМ) — соответственно активная и реактивная составляющие последовательной схемы замещения.

= 1 /(2л^АсвС_кв) и частоту параллельного резонанса всего кон;

тура /" = AbV^{1 + C}k./QДля кварцевых резонаторов обычно С_кв/С₀ а 10'³…10″ ⁴, поэтому интервал между указанными час;

Рис. 2.3. Частотные характеристики сопротивлений схемы замещения кварцевого резонатора вблизи собственных частот:

— /U/); б ~ X"(f)

ютами очень мал. В различных схемах автогенераторов с кварцевым резонатором используется либо узкий интервал частот между /_кв и /_п, где кварц представляет собой индуктивное сопротивление (вблизи частоты параллельного резонанса /_п), либо интервал частот вблизи частоты последовательного резонанса/_кв, где кварц играет роль малого активного сопротивления порядка г_кв. Приближенно можно считать, что предельно достижимая кратковременная относительная нестабильность частоты автогенератора с кварцем 6_К обратно пропорциональна квадрату добротности кварцевого резонатора

Номинальное значение частоты параллельного резонанса кварцевого резонатора может быть установлено изготовителем по заказу в пределах нескольких десятков мегагерц с технологической относительной погрешностью в несколько единиц в шестом знаке. Частота генерации близка к одной из указанных частот — последовательного или параллельного резонанса. Электронное управление частотой генерации кварцевого автогенератора используется либо для небольшой коррекции его номинальной частоты, либо для формирования частотно-модулированного сигнала с небольшой относительной девиацией частоты.

Схема управляемого по частоте кварцевого автогенератора отличается тем, что в ее состав введены цепи, изменяющие суммарные значения характерных частот колебательной системы. Чаще всего роль управляемой реактивности выполняет варикап, включаемый последовательно или параллельно с кварцевым резонатором. Тогда параметры эквивалентной схемы, показанной на рис. 2.2, б зависят от смещения на варикапе и оказывают влияние на частоту генерации. Оценочная величина диапазона управления частотой в 10 — 30 раз превышает нестабильность частоты генератора, работающего в лабораторных условиях. Более широкий диапазон перестройки частоты с умеренной нестабильностью частоты достигается в управляемых кварцевых генераторах, где кварцевый резонатор включен в цепи обратной связи схемы автогенератора. При этом управитель частоты может изменять собственную резонансную частоту основной LC-колебательной трехточечной схемы автогенератора, а кварцевый резонатор благодаря высокой крутизне и стабильности фазочастотной характеристики цепи обратной связи стабилизирует вариации частоты генерации в пределах своей полосы пропускания. Разработка управляемых кварцевых генераторов всегда представляет собой задачу выбора компромисса между требованиями устойчивости по отношению к внешним дестабилизирующим факторам, диапазоном и линейностью перестройки при допустимых изменениях мощности выходного сигнала.

Наряду с разработкой автогенераторов с кварцем на различных активных элементах, обладающих совокупностью особых свойств по стабильности, шумовым свойствам, возможностям электронного управления частотой, рабочей частоте со спектром, свободным от паразитных дискретных составляющих, в настоящее время на мировом рынке имеется значительное количество готовых микросхем или микросборок, которые представляют собой автогенераторы с кварцевыми резонаторами. Семейство таких интегральных автогенераторов достаточно разветвленное. Наряду с обычными кварцевыми генераторами выделяют вакуум и рованные, прецизионные, тактовые, термостабилизированные, термокомпенсированные с цифровой или микропроцессорной компенсацией, управляемые напряжением по частоте, синхронизированные по фазе. Различия этих групп по характеристикам стабильности и управляемости весьма существенны, а их ценовые показатели различаются в сотни раз.

Продолжительность установления теплового режима кварцевого автогенератора после включения уменьшается в моделях с предварительным прогревом и внутренним термостатированием для авторегулировки температуры кристалла.

Прецизионные кварцевые генераторы при сравнимых характеристиках по кратковременной нестабильности частоты и массогабаритным показателям имеют более низкие по сравнению с рубидиевыми стандартами фазовые шумы (см. рис. 2.1). Однако они проигрывают атомным стандартам по долговременной стабильности из-за старения кварца (см. табл. 2.2). Диапазон изменения частоты резонатора из-за эффекта старения в ряде моделей прецизионных кварцевых генераторов снижается предварительным старением и встроенными устройствами цифровой коррекции номинальной частоты.

Выходная мощность источников опорных колебаний с кварцем ограничена уровнем 1…5 мВт из-за того, что в кристалле высокодобротного резонатора сосредоточена значительная реактивная мощность и повышение выходной высокочастотной мощности приводит к недопустимому разогреву кристалла и увеличенному дрейфу частоты.