2.5. Варианты включения кварца в схемах кварцевых генераторов.
Для возбуждения колебаний в кварцевых генераторах (КГ) чаще всего применяют трёхточечные схемы, в которых кварцевый резонатор используется в качестве индуктивности. Эквивалентные трёхточечные схемы генераторов на биполярных транзисторах приведены на рис. 11.
BQ Z3 Z3
Z2
Z2
BQ
Z1 VT BQ VТ Z1 VТ
а) б) в)
Рис. 11. Эквивалентные трёхточечные схемы КГ:
а – ёмкостная трёхточка, б и в – индуктивные трёхточки
В схеме ёмкостной трёхточки (рис. 11, а) условие баланса фаз при индуктивной ветви коллектор – база, в которой включён кварц, выполняется, если элементы Z1 и Z2 являются реактивностями другого знака, в данном случае ёмкостями. Параметры ёмкостей и их соотношение выбираются из условия выполнения баланса амплитуд. В схемах индуктивной трёхточки (рис. 11, б,в) кварц устанавливается либо в цепи база – эмиттер (Z3 имеет ёмкостной, а Z2 индуктивный характер, например, высокочастотный дроссель), либо в цепи коллектор – эмиттер, тогда Z1 – индуктивность, а Z3 - ёмкость. Наиболее распространенными являются ёмкостная (а) и индуктивная с кварцем в цепи база – эмиттер (б) трёхточки.
При возбуждении кварцевого генератора на механических гармониках кварцевого резонатора выбор необходимой гармоники производится подбором ёмкостей или с помощью колебательного контура. Таким образом, можно получать стабильные колебания на частотах до 300 МГц.
2.6. Практические схемы кварцевых генераторов.
К настоящему времени разработано большое количество электрических схем кварцевых генераторов на электронных лампах, транзисторах и интегральных микросхемах. Условие получения стационарных колебаний сводится к обеспечению баланса фаз и амплитуд. На рис. 12 приведена электрическая схема ёмкостной трёхточки с кварцевым резонатором, включённым между коллектором и базой транзистора.
Rф
Сф
R1 Rк
BQ L Cр
C2
Uвых
VТ
С1 R1 Rэ Сэ
Рис. 12. Кварцевый генератор по схеме ёмкостной трёхточки
Если удалить кварц BQ и конденсаторы С1 и С2, то такая схема представляет собой обычный резистивный усилитель с общим эмиттером и элементами температурной стабилизации режима транзистора по постоянному току R1, R2, Rэ, Cэ. При подключении кварца и конденсаторов С1 и С2 получим схему ёмкостной трёхточки. Колебательный контур образуется эквивалентной индуктивностью кварца и ёмкостями С1 и С2. Для коррекции частоты колебаний кварцевого генератора в относительных пределах порядка 10-3…10-5 последовательно с кварцем включается индуктивность L (суммарная индуктивность L = Lкв+L).
Выбором индуктивности и ёмкостей С1 и С2 можно возбудить колебания на одной из нечётных механических гармоник кварца, однако более эффективным способом является замена конденсатора С2 параллельным колебательным контуром, реактивность которого на частоте генерации должна носить ёмкостной характер.
Расчёт кварцевого генератора сводится к выбору режима питания усилителя по постоянному току и расчёту значений конденсаторов С1, С2 и индуктивности L, исходя из параметров кварцевого резонатора и его резонансной частоты. Можно, например, выбрать R1 = 100 кОм, R2 = 30 кОм, Rэ = 510 Ом. Тогда при напряжении питания Uп = 5 В транзистор будет работать с током коллектора порядка 1 mA. При возбуждении колебаний на частоте 100 … 1000 кГц Сэ = Сф = 47 нФ, а Rф = 300 Ом. Значение С1 выбирается в пределах от 51 пФ до 300 пФ, а С2 от 20 пФ до 120 пФ. Значение Rк составляет 3…3,9 кОм.
При повышенных требованиях к стабильности частоты генерации и замедления старения кварца стремятся ограничить амплитуду колебаний на пластине кварца десятками милливольт и менее. При этом генератор дополняется буферным усилителем и схемой автоматической стабилизации амплитуды колебаний.
На рис. 13 приведена электрическая схема генератора по схеме индуктивной трёхточки с кварцевым резонатором в цепи база – эмиттер.
Rф
Сф
R1 Rк Ск
Lк
Ср Uвых
C1
VТ
BQ
R2 Rэ Сэ
Рис. 13. Кварцевый генератор по схеме индуктивной трёхточки
Данной схеме соответствует эквивалентная схема (рис. 11, б), в которой кварц включён в цепь база – эмиттер, а в качестве второй индуктивности цепи коллектор – эмиттер служит колебательный контур Lк, Cк, настроенный на частоту fр, значение которой составляет (0,7…0,8)fк, то есть работает с индуктивной расстройкой. Вместо контура может использоваться высокочастотный дроссель. Требуемая добротность контура устанавливается резистором Rк. Ёмкостная цепь Z3 обеспечивается конденсатором С1 между базой и коллектором транзистора. Ёмкость конденсатора на частотах 100…1000 кГц составляет 27…270 пФ. Резисторы R1, R2, Rф, Rэ и конденсаторы С1, Сф имеют те же значения, что и в предыдущей схеме, обеспечивая развязку переменной и постоянной составляющих токов и напряжений, а также режим работы транзистора по постоянному току.
Для повышения стабильности частоты колебаний переменное напряжение на кварце снижают до величины порядка единиц или десятков милливольт с помощью схемы автоматической регулировки амплитуды. К выходу генератора обычно подключают развязывающий (буферный) усилитель, а всю схему помещают в термостат. Для высокостабильных кварцевых генераторов разработаны специальные кварцевые резонаторы, имеющие минимальный температурный коэффициент ухода частоты (ТКЧ) при температуре + (65…75)С.
Данная схема кварцевого генератора отличается тем, что один из электродов кварца имеет нулевой потенциал, что удобно при коммутации кварцевых резонаторов, необходимой при перестройке частоты колебаний.
Индуктивная трёхточка с кварцем в цепи база – эмиттер используется в синтезаторах частоты авиационных радиостанций «Ландыш» и «Микрон», а также в другой авиационной аппаратуре. Переключение частот обычно производится диодной матрицей с пульта управления или от компьютера в автоматическом режиме.
R1
R2
BQ
R1
Uвых
DD1.1 DD1.2
Uвых
DD1.1 DD1.2
C1 BQ
а) б)
R1
R2
BQ
Uвых R1
DD1.1 DD1.2 DD1.3 DD1 C1 C2
Uвых
BQ C
в) г)
Рис. 14. Электрические схемы кварцевых генераторов
на логических микросхемах
В современной радиоэлектронной аппаратуре, использующей интегральные микросхемы (ИС), кварцевые генераторы выполняются на специализированных аналоговых ИС или на цифровых логических элементах. На рис. 14 приведены электрические схемы кварцевых генераторов на логических элементах ТТЛ (рис. 14, а) и КМОП (рис. 14, б,в,г) серий.
В схеме рис. 14, а логические схемы работают в линейном режиме благодаря резисторам отрицательной обратной связи R1 и R2. Кварцевый резонатор работает на частоте, близкой к частоте последовательного резонанса. Подстроечный конденсатор С1 позволяет выполнять подстройку частоты в небольших пределах. Аналогичную роль выполняют резисторы R1, R2 и конденсатор С1 в остальных схемах.
В схеме на рис. 14, г генератор выполнен на логическом элементе КМОП – типа. Резистор R2 и конденсаторы С1 и С2 устраняют возможное паразитное возбуждение и уменьшают мощность, рассеиваемую на резонаторе. Нестабильность частоты колебаний составляет (0,1…0,5)10-6 при изменении напряжения питания на 10%.
В ряде случаев в микросхемах компьютеров, синтезаторов, электронных часов и т.п. используются отдельные выводы одного из логических элементов внутренней схемы кварцевого генератора для подключения кварца. Остальные элементы генератора размещаются непосредственно на кристалле микросхемы.