7.4 Особенности кварцевой стабилизации частоты генераторов

При разработке кварцевого генератора следует обращать внимание, что кварцевый генератор на основе мультивибратора работает несколько по другим принципам по сравнению со схемой ёмкостной трёхточки. Если в ёмкостной трёхточке кварцевый резонатор используется в качестве индуктивности, входящей в колебательный контур резонатора, то в схеме мультивибратора кварцевый резонатор используется в качестве узкополосного фильтра в цепи обратной связи. Это приводит к тому, что один и тот же резонатор, включённый в схему мультивибратора или в схему ёмкостной трёхточки, будет генерировать различные частоты!

Для того чтобы разобраться с этим явлением, вспомним эквивалентную схему кварцевого резонатора и характеристику зависимости сопротивления кварцевого резонатора от частоты. Эквивалентная схема кварцевого резонатора приведена на рисунке 7.12 а, а характеристика зависимости его комплексного сопротивления от частоты – на рисунке 7.12 б.

Рисунок 7.12 а - эквивалентная схема кварцевого резонатора;

Рисунок 7.12 б - зависимость сопротивления кварцевого резонатора от частоты.

Элементы L1 и C2 определяются механическими параметрами кристалла кварцевого резонатора, а ёмкость C1 – это конструктивная ёмкость кварцедержателя и электродов. Ёмкость кварцедержателя много больше эквивалентной ёмкости последовательного контура, отображающего резонансные свойства кварцевого резонатора. Его комплексное сопротивление может быть записано в виде следующего выражения:

.

Напомним, что при последовательном резонансе сопротивление схемы становится нулевым. Частота последовательного резонанса приведённой на рисунке 7.12а схемы может быть получена из следующего выражения:

.

При параллельном резонансе сопротивление резонатора стремится к бесконечности. Частота параллельного резонанса может быть определена из формулы:

.

Так как в это выражение входят паразитные элементы (ёмкость C1), то стабильность частоты параллельного резонанса меньше стабильности последовательного резонанса, определяемого только механическими свойствами кварцевого кристалла.

В схеме мультивибратора используется последовательный резонанс кварцевого резонатора (собственные колебания кристалла), а в осцилляторной схеме генерация производится на частоте, близкой к параллельному резонансу контура, образуемого индуктивностью резонатора и ёмкостью кварцедержателя. Эти частоты близки, но не совпадают по определению. В результате частоты генерируемых колебаний будут отличаться между собой. Обычно разность частот последовательного и параллельного резонансов составляет около 1 кГц. Настолько же будут отличаться и частоты кварцевых генераторов, построенных по схеме мультивибратора и схеме ёмкостной трёхточки.

Так как генератор, собранный по схеме мультивибратора возбуждается на собственной частоте кварцевого кристалла, то стабильность кварцевого мультивибратора будет выше по сравнению с осцилляторной схемой, так как на частоту последовательного резонанса кварцевого резонатора не влияют внешние паразитные ёмкости. Однако в генераторе, собранном по схеме мультивибратора, возможно самовозбуждение генератора на частоте, далеко отстоящей от резонансной частоты кварцевого резонатора. Эта частота обуславливается ёмкостью кварцедержателя и входным сопротивлением активного элемента, поэтому в схеме мультивибратора необходимо предусматривать специальные меры для борьбы с этим явлением.

При построении схем генераторов следует отметить, что они являются мощными источниками помех, поэтому их обычно экранируют. Цепи питания микросхем, на которых реализуются генераторы, обязательно содержат фильтрующие высокочастотные конденсаторы. Часто для лучшей фильтрации по цепи питания кроме конденсаторов используются фильтрующие дроссели.

Для уменьшения помех используются и конструктивные меры. Например, длину проводников до кварцевого резонатора стараются делать как можно короче, рядом с цепью генерируемого сигнала прокладывают корпусные проводники. Таким образом, фактически образуется полосковая (или волноводная) линия передачи. Однако нельзя замыкать корпусной проводник вокруг потенциального проводника, иначе будет образована петлевая антенна, и мы, вместо подавления помех, улучшим их излучение.