4. Стабілізація частоти автогенераторів.

Основною вимогою до частоти випромінювання радіопередавача є його здатність працювати в відведеному каналі для підтримання безпідстроюваного і безпошукового зв'язку. До радіопередавачів ставлять­ся жорсткі вимоги до стабільності частоти автогенератора. Допустимі норми нестабільності частоти автогенератора радіопередавача визначаються відповідними стандартами і лежать в межах абсолютної неста­більності Гц і відносної нестабільності … . Це дуже високі вимоги до стабільності частоти, якщо врахувати, що розглянуті вище схеми автогенераторів мають відносну нес­табільність … .Тому питання стабілізації частоти автогенератора дуже актуальне і в практичній схемотехніці радіопередавачів йому приділяється належна увага.

4.1. Стабільність частоти радіопередавача, причини її нестабільності.

Як уже згадувалось, частота коливань автогенератора з індуктивністю L_K і ємністю C_K контура визначається власною часто­тою контура . Очевидно, що порушення стабільності частоти (дестабілізація) може викликатися різними причинами , які можуть змінювати параметри контура чи режим роботи автогенератора, оскільки вони змінюють власну частоту контура, а отже, і частоту коливань автогенератора.

Розглянемо вплив окремих дестабілізуючих факторів на частоту коливань автогенератора і деякі методи послаблення їх дії.

До механічних дестабілізуючих факторів відносяться зовнішні механічні сили (наприклад, вібрація), які викликають деформації де­талей, з'єднувальних проводів схеми, тощо.

Зміна напруги джерела живлення викликає зміну режиму автогене­ратора І зміну динамічних міжелектродних ємностей транзистора, які входять в загальну ємність контура.

Зміна температури, вологи і тиску також викликає значну зміну параметрів коливального контуру, а , отже, і частоти генерації.

Як відомо, зміну частоти автогенератора може викликати зміна навантаження схеми в вигляді параметрів наступного каскаду.

Основними методами зменшення нестабільності автогенератора є:

- використання буферних каскадів і спеціальних схем автогенераторів;

- термостатування схеми генератора чи всього радіопередавача ;

- амортизація радіопередавача, використання жорстких конструкцій схем ;

- використання термокомпенсуючих елементів в контурі автогенератоpa (рис. 4.l a,б), де, наприклад, при допомозі конденсаторів з позитивним і негативним температурним коефіцієнтом ємності (ТКЕ) при зміні температури ∆t проводиться компен­сація зміни температурного відхилення частоти автогенератора ;

- використання коливальних контурів з високою добротністю (рис. 4.1в), коли при високій добротності (характеристика 2) умови балансу фаз і балансу амплітуд виконуються лише дуже близько від частоти генерації f_ГЕН ;

- стабілізація напруги живлення автогенератора ;

Рис. 4.1. Стабілізація параметрів коливального контура.

4.2. Фізичні властивості кварцу, його еквівалентна схема і резонансні частоти.

Кварц представляє собою природний мінерал двоокису кремнію (SrO₂ ), який іноді називають гірським кришталем і який має ве­лику механічну і хімічну стійкість ,є добрим діелектриком (Е_окв=4,5). Природний кристал кварцу має вигляд шестикутної призми з піраміда­ми на кінцях (рис. 4.2а). Такий кристал має кілька осей симетрії : оптичну ZZ , електричну XX і механічну YY.

З такого кристалу кварцу вирізають пластинку. Деякі фізичні властивості кварцу залежать від напряму врізу пластини відносно його осей. Це дозволяє одержати пластинку з заданими фізичними властивостями. Найчастіше виконують косий зріз, при якому ребра кварцової пластини створюють з осями кварцу деякі кути.

До ввімкнення в електричну схему кварцову пластинку розміщу­ють між двома електродами. Частіше всього електроди виготовляють методом металізації протилежних граней кварцової пластини шляхом нанесення плівки з срібла чи золота. До металізованого покриття припаюється металевий вивід. Крім того, пластина кварца може бути розміщена між двома пружинними виводами (рис. 4.2б). Така конструк­ція називається кварцовим резонатором, вона може бути розміщена в металевому чи скляному корпусу, герметизована, заповнена інертним газом.

Рис. 4.2. Кварц, його конструкція і еквівалентна схема

Кварцова пластина володіє прямим і зворотнім ефектом, суть якого полягає в тому, що механічні. деформації викликають появу елек­тричних зарядів на її гранях (прямий п'єзоефект) ; і навпаки, під дією змінного електричного поля в пластині виникають механічні коли­вання (зворотній п'єзоефект).

Під дією змінного електричного поля амплітуда механічних коли­вань може бути різною.

Кварцова пластина володіє власною резонансною частотою механічних коливань, на якій інтенсивність коливань найбільша.

Частота цих коливань визначається формулою f_(МГц) =2,7/L_(мм), де L - товщина кварцової пластини. З цієї формули видно, що

для підвищення резонансної частоти пластинки її товщину потрібно зменшувати. Але пластинки тонше 0,1 мм не виготовляються, оскільки при механічних коливаннях руйнуються, тому частота основних коливань пластини складає не більше 15... 30 МГц. Як і у всякій коливальній механічній системі, в кварцовому резонаторі спостерігаються коливання вищих частот - механічних гармонік; число яких може досягати 7 ... 11 в залежності від кута зрізу пластини .

Якщо кварцову пластину ввімкнути в коло змінної напруги, то в відповідності з зворотнім префектом змінна напруга викликає

зміну її геометричних розмірів, пропорціональну напруженості елек­тричного поля. А деформація пластини, в свою чергу, в відповідності з прямим п'єзоелектричним ефектом приводить до появи зарядів q на гранях пластини. Зміна цих зарядів в часі створює в електричному колі струм, який дорівнює . При підході частоти напруги до власної частоти механічного резонансу пластини кварцу амплітуда механічних коливань різко зростає, а, значить, зростає і амплітуда струму через пластину.

Така поведінка кварцової пластини в змінному електричному полі аналогічна поведінці послідовного контура. На цій підставі електричну еквівалентну схему кварцового резонатора представляють схемою послідовного контура L_кв, C_кв, r_кв. паралельно якому ввімкнена ємність кварцедержача С₀, оскільки різні його конструкції з урахуванням діелектричної проникності пластини мають ємність пФ (рис 4.2в). Якщо спробувати змоделювати схему кварцової пластини, то параметри такого контура з урахування струму зміщення, який протікає в пластині в момент механічного резонансу, були б уні­кальними: L_кв≈0,01…10Гн, C_кв≈0,007…0,1пФ, r_кв≈2…150Ом.

Видно, що параметри цього еквівалентного контура різко відрізняють­ся від параметрів звичайного контура значно збільшеною індуктивністю L_кв і дуже зменшеною ємністю C_кв. При такому співвідношенні добротність кварцової пластини, як коливальної системи є дуже великою (Q_кв≈1·10⁴…1·10⁶), в порівнянні з добротністю звичайного контура Q=50…200. Тому частотна характеристика такої коливальної системи має гілкоподібну форму (рис . 4.3а) з смугою пропускання одиниці герц, не дивлячись на порівняно великий опір втрат кварца r_кв. А це, як уже аналізувалось рані­ше, дає значно кращу стабільність частоти при використанні такої високодобротної коливальної системи в схемі автогенератора.

Рис. 4.3. Резонансні характеристики кварца і

його резонансні частоти.

Тому практичні схеми кварцових генераторів мають високу ста­більність частоти ( E≈1·10^-6…1·10^-9).

Оскільки з урахуванням ємності кварцодержача C₀ створився фактично контур III-го виду (рис. 4.2в) з розподіленими ємностями в гілках, то такий контур, крім послідовної частоти резонансу має ще паралельну частоту резонансу , де визначається як послідовне з'єднання ємностей в гілках контура. Оскільки C<C_кв, то ω_пар > ω_посл (різниця між) ω_пар і ω_посл дуже мала, оскільки при, наприклад, C_кв=0,01пФ і C₀=5пФ C ≈ C_кв . Тому залежність реактивного опору X_кв кварцо­вого резонатора і характер цих реактивностей показаний на рис. 4.3б. На резонансних частотах ω_посл і ω_пар опір активний і відповідно дорівнює опору втрат r_кв на ω_посл і еквівалентному резонансно­му опору R_ер паралельного контуру на ω_пар (рис. 4.3в). Звертається увага на те, що між ω_посл і ω_пар характер опору кварца індуктивний, що використовується в практичних схемах кварцових генераторів. При визначенні R_ер на ω_пар з урахуванням часткового ввімкнення досягає одиниць .... десятків мегом, що значно більше, ніж в звичайному контурі (R_ер≈0,5…10кОм).