Лекция 22

Дестабилизирующие факторы и их влияние на частоту автоколебаний автогенератора (АГ). Влияние изменений параметров элементов колебательной системы АГ на частоту автоколебаний. Фиксирующая способность АГ. Условия обеспечения высокой стабильности частоты автоколебаний АГ. Устойчивость амплитуды автоколебаний АГ. Эквивалентная схема кварцевого резонатора. Принципы построения схем АГ с кварцем. Осцилляторные схемы кварцевых АГ, их характеристики. Фильтровые схемы кварцевых АГ, их характеристики. Мостовые схемы кварцевых АГ. Двухкаскадная фильтровая схема Батлера кварцевого АГ.

Вопросам стабильности частоты электрических колебаний, вырабатываемых АГ в радиотехнических устройствах и системах, уделяется большое внимание. В частности, чем стабильнее частота излучаемых радиопередатчиком колебаний, тем надёжнее и качественнее связь. Кроме того, увеличение стабильности частоты радиопередатчика эквивалентно увеличению его мощности, так как у приёмника можно взять уже полосу пропускания входной цепи и этим сделать его более чувствительным.

Относительная нестабильность частоты колебаний АГ , где- абсолютная нестабильность частоты (величина отклонения частоты от нужного значенияf ), колебательная система которого выполнена на радиокомпонентах: конденсаторах и катушках индуктивности, обычно используемым в ГВВ, без принятия специальных мер на снижение нестабильности частоты автоколебаний составляет, примерно, , чего в подавляющем большинстве случаев недостаточно. Требуемое значение относительной нестабильности частоты обычно на 2…3 порядка выше. Например, для однополосной радиосвязи и телеграфной работы по методу частотной манипуляции допускается относительная нестабильность частоты не более. Резко возрастают требования к стабильности частоты рабочих колебаний в системах космической связи и управления летательными аппаратами, перемещающимися с большими скоростями.

На стабильность частоты автоколебаний АГ влияют многие факторы, которые мы ниже рассмотрим. А также рассмотрим наиболее эффективные меры по борьбе с этими факторами.

Дестабилизирующие факторы и их влияние на частоту автоколебаний аг

Факторы, влияющие на стабильность частоты АГ, носят название дестабилизирующих факторов. Дестабилизирующие факторы подразделяются на внутренниеивнешние. Внутренние дестабилизирующие факторы определяются самим АГ, в том числе генераторным прибором и радиокомпонентами схемы. Внешние дестабилизирующие факторы определяются внешним окружением АГ: изменением температуры окружающей среды и её влажности, давления, влиянием последующих каскадов и механическими воздействиями. Изменение питающих напряжений и реакцию нагрузки в зависимости от места установки АГ и условий его эксплуатации относят либо к внешним дестабилизирующим факторам, либо к внутренним.

Воздействия дестабилизирующих факторов бывают кратковременными (мгновенными) или длительными. Соответственно различают кратковременнуюидолговременную нестабильностьчастоты АГ. Кратковременная нестабильность частоты обусловливается быстрыми воздействиями, проявляющимися за время наблюдения, не превышающем одну секунду. Долговременная нестабильность частоты определяется для таких интервалов времени как час, сутки, месяц и год.

Основным внутренним дестабилизирующим фактором является выбег частоты. После включения АГ вследствие постепенного разогрева блока частота генерируемых колебаний плавно понижается. Длительность этого процесса зависит от многих факторов, в том числе от мощности АГ, степени связи АЭ с колебательной системой, и может занимать интервал от нескольких минут до нескольких часов. Чем меньше мощность АГ и чем слабее связь АЭ с контуром АГ, тем меньше выбег частоты. Если проявление выбега частоты нежелательно, то производят предварительное включение АГ за 10 – 20 минут до включения остальных блоков. В радиовещательных передатчиках включение возбудителя производят за несколько часов до выхода передатчика в эфир.

Важным внутренним дестабилизирующим фактором являются шумы. Наибольший уровень шумов создаётся генераторным прибором – АЭ. Меньший уровень шумов создаётся резисторами, конденсаторами, катушками индуктивности. Шумы, особенно шумы АЭ, причастны к возникновению кратковременной нестабильности частоты. Механизм воздействия шумов на частоту автоколебаний разнообразен: через изменения крутизны токов электродов генераторного прибора, через изменения баланса амплитуд. Очевидно, чем менее шумящий генераторный прибор, тем лучше для получения более стабильных автоколебаний АГ.

Другим внутренним дестабилизирующим фактором является старение радиокомпонентов. Явление это сложное и многообразное, определяемое как внешними воздействиями неблагоприятных факторов, так и внутренними естественными физико-химическими процессами, необратимо изменяющими параметры радиокомпонентов. Это единственный фактор, который влияет только на долговременную нестабильность частоты АГ. При построении высокостабильных АГ после изготовления их подвергают экстремальным тепловым, электрическим и механическим воздействиям с целью ускорения преодоления конструкцией первоначального этапа старения.

Внутренним дестабилизирующим фактором является неточность установки частотыАГ. Если АГ работает на одной или нескольких фиксированных частотах, то точность их установки может быть получена достаточно высокой. Если АГ диапазонный, то при ручной его перестройке точность установки частоты определяется в основном градуировочной шкалой, а при автоматической перестройке – выбранной системой автоматического регулирования.

Внутренним дестабилизирующим фактором является также смена АЭ. АЭ одного и того же типа имеют разброс параметров, в том числе и по величине межэлектродных ёмкостей, причём не только их так называемых активных составляющих, находящихся в зоне перемещения носителей тока – зарядов, но и их пассивных составляющих, обусловленных, в основном, конструкцией баллона лампы или корпуса транзистора, креплением выводов электродов и т.п. Соответственно, при смене АЭ, например, по причине выхода его из строя, частота автоколебаний будет несколько отличаться от прежней. Поэтому в контур АГ вводится подстроечный конденсатор, с помощью которого производится подстройка частоты.

Основным внешним дестабилизирующим фактором является изменение температуры окружающей среды. От её абсолютного значения зависит и уровень собственных шумов АГ. Кроме того, изменение температуры обусловливает изменение геометрических размеров катушек индуктивности, конденсаторов, внутренних электродов АЭ, соединительных проводов. Соответственно изменяются реактивные параметры радиокомпонентов и их активные сопротивления (проводимости), межэлектродные ёмкости. Изменения температуры окружающей среды воздействуют как на кратковременную (за счёт шумов), так и на долговременную составляющие нестабильности частоты автоколебаний АГ.

Для количественной оценки влияния изменения температуры окружающей среды на долговременную нестабильность частоты АГ вводится температурный коэффициент частоты (ТКЧ), характеризующий относительное изменение частоты на каждый градус изменения температуры.

Если принять, что частота автоколебаний АГ ωопределяется собственной частотой контураω_К, что допустимо для одноконтурного АГ (см. лекцию 19), то для относительного изменения частоты АГ, используя частные производные, можно записать:

(22.1)

где – соответственно изменения индуктивностиL_Ки ёмкостиС_Кконтура.

Относительные изменения индуктивности и ёмкости контура с изменением температуры среды принято характеризовать, соответственно, температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ)итемпературным коэффициентом ёмкости (ТКЕ):

где – изменение температуры среды.

Соответственно, на основании (22.1) с учётом соотношений для ТКИиТКЕможно записать:

. (22.2)

Знак «минус» в (22.1) и (22.2) обусловлен понижением частоты с увеличением индуктивности L_Ки ёмкостиС_Кконтура.

АГ всегда стремятся строить на реактивных элементах с низкими значениями ТКИиТКЕ. Катушки индуктивности, при конструировании которых не принимается специальных мер, направленных на улучшение их эталонных свойств, обладают сравнительно высокимТКИ(+10^-3…5·10^-4). Если катушку индуктивности изготовить методом вжигания серебряной спирали в каркас с последующим наращиванием слоя металлизации электролитическими способами, то можно получить катушки сТКИна один-полтора порядка более низким (+5·10^-5). ЗначениеТКИв этом случае в основном определяется температурным коэффициентом линейного расширения каркаса катушки. Наилучшими материалами для изготовления каркасов катушек индуктивности признаны радиофарфор, плавленый кварц, стеатит, пирофиллит. Экранирование катушки увеличивает еёТКИ. Нежелательно также использование каких-либо сердечников.

Использование в АГ конденсаторов с твёрдым диэлектриком нежелательно, поскольку последний обладает относительно большим температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости ТК_ε(слюда, керамика и т.п.). Наиболее пригодными следует считать конденсаторы с воздушным диэлектриком,ТКЕкоторых приблизительно равен +5·10^-6, что в десять раз меньшеТКЕкерамических конденсаторов и значенийТКИлучших катушек. Особое место среди конденсаторов с твёрдым диэлектриком занимаюттикондовые конденсаторы, обладающие отрицательнымТКЕ. Включение их в состав контура АГ позволяет скомпенсировать положительные значенияТКИиТКЕдругих реактивных элементов. Однако полная компенсация температурных коэффициентов возможна только при определённой температуре и на одной частоте. Оптимальным считается такой подборТКИиТКЕ, при которомТКЧна краях интересующего диапазона частот равны по величине, но противоположны по знаку.

Радиотехническая аппаратура часто предназначается для работы в широком интервале изменения внешней температуры: от –60 до +60⁰С. Для устранения влияния изменения температуры окружающей среды на частоту АГ последний помещают в камеру термостата, в которой поддерживается практически постоянная температура с точностью до ±(0,5 – 1)⁰С. Среднее значение температуры в камере термостата (обычно +60…70⁰С) должно превышать самую высокую возможную температуру окружающей среды. Внутри камеры термостата помимо АГ находятся термодатчик и нагреватель, связанные с внешней частью схемы автоматического регулирования. В отдельных случаях используются термостаты, в камерах которых поддерживается температура ниже температуры окружающей среды. Использование термостатирования АГ, очевидно, усложняет, удорожает и делает более громоздкой радиоаппаратуру.

Другими внешними дестабилизирующими факторами являются изменение атмосферного давленияиизменение влажности окружающей среды. Уменьшение атмосферного давления ухудшает условия охлаждения деталей контура АГ, что приводит к их дополнительному нагреву, а следовательно, к увеличению нестабильности частоты. Кроме того, при изменении давления меняется диэлектрическая постоянная воздуха, что влияет на величину ёмкости переменного конденсатора с воздушным диэлектриком и, следовательно, на частоту автоколебаний, если такой конденсатор имеется в схеме АГ. Изменение влажности окружающей среды также влияет на величину диэлектрической проницаемости воздуха и сопротивления изоляции деталей контура.

Влияние влажности окружающей среды и атмосферного давления на стабильность частоты АГ обычно определяется экспериментально. Наиболее действенным средством уменьшения влияния этих дестабилизирующих факторов на стабильность частоты является герметизация контура или всего АГ. Для этой цели могут использоваться заливка монтажной платы различными влагонепроницаемыми самотвердеющими составами и специальные замкнутые объёмы, включая и термостат.

Внешними дестабилизирующими факторами являются также механические ударыивибрации. Они, прежде всего, непосредственно влияют на кратковременную нестабильность частоты. Воздействие механических ударов и вибраций приводит к изменению взаимного расположения деталей АГ, соответственно к нестабильности частоты автоколебаний. Причиной возникновения вибраций в стационарных устройствах могут служить передвижения обслуживающего персонала, работа двигателей системы охлаждения. В аппаратуре подвижных средств источниками вибрации являются работа двигателей, тряска и т.п. Механические удары бываютупругиеинеупругие. Упругие удары обусловливают кратковременную нестабильность частоты, неупругие – долговременную. Устранить последнюю можно в результате ремонта.

Наиболее общими приёмами по ослаблению влияния механических воздействий на частоту автоколебаний являются размещение АГ в жёстких литых каркасах, в которых прочно и жёстко закрепляют все детали, чтобы не было из взаимного смещения. Каркасы укрепляют на амортизирующих подкладках или подвесках. При конструировании АГ применяют печатную технологию монтажа. Иногда удаётся воздействовать и на сам источник вибраций (двигатель, крыльчатку вентилятора) или проводник вибраций (воздухопровод, кронштейны) путём подбора правильных режимов работы, использования мягких прокладок, гофрированных муфт и др.

На частоту автоколебаний влияет изменение питающих напряжений, приводящее к некоторому изменению рабочих ёмкостей АЭ, входящих в состав колебательной системы АГ, к изменению фазы средней крутизны и амплитудных соотношений в АГ. Обычно питающие напряжения для АГ стабилизируются с точностью 2 – 3%, что практически полностью исключает влияние изменения напряжения на стабильность частоты.

Изменение величины нагрузки АГ, особенно её реактивной составляющей, обусловливает реакцию нагрузкина частоту автоколебаний АГ. Чтобы ослабить реакцию нагрузки на АГ, применяют слабую связь нагрузки с контуром АГ, что, соответственно, приводит к снижению КПД контура АГ. Как правило, нагрузкой АГ является следующий каскад, в частности, его вход. Чтобы ослабить влияние последующего каскада на АГ, между АГ и следующим каскадом включают специальный промежуточный каскад, называемыйбуфернымкаскадом. Основное требование к буферному каскаду – большое входное сопротивление. На АГ оказывает влияние не только следующий за ним каскад, но и последующие, которые могут воздействовать на электрические параметры АГ через электромагнитную связь и общий источник питания. При небольшом количестве каскадов радиочастотного тракта в АГ может быть ощутимо влияние даже антенны.

Дестабилизирующие факторы могут раздельно или одновременно влиять на частоту АГ. В связи с этим существует несколько методов определения общей (суммарной) нестабильности частоты Δf _ОБЩ. Один из них состоит в определении Δf _ОБЩкак средней статистической величины. Другой, наиболее простой, заключается в следующем. Определяют в отдельности влияние каждого дестабилизирующего фактора на частоту АГ. Затем суммируют все уходы частоты со знаком «+» и со знаком «–», получая два значения суммы. Большая из сумм с учётом коэффициента одновременности воздействия различных дестабилизирующих факторов (к_ОДН) определяет общую абсолютную нестабильность частоты:

Обычно величину к_ОДНпринимают равной в пределах 0,8…1.

Обобщая изложенное выше, можно отметить, что на стабильность частоты автоколебаний любого АГ наибольшее влияние оказывает изменение температуры окружающей среды. Если АГ термостатируется, то влияние изменения температуры окружающей среды на частоту АГ резко снижается.

На частоту диапазонного АГ, помимо изменения температуры окружающей среды, наибольшее дестабилизирующее действие оказывают выбег частотыинеточность установки частоты. На частоту АГ, работающего на одной или нескольких фиксированных частотах, наибольшее влияние, помимо изменения температуры окружающей среды, имеетвыбег частоты.

Устойчивость частоты и амплитуды автоколебаний АГ.

Фиксирующая способность АГ.

Общие методы повышения стабильности частоты АГ

Долговременная нестабильность частоты АГ, связанная с воздействием на параметры АГ медленных дестабилизирующих факторов, определяет, по существу, устойчивость частоты автоколебаний АГ. Для нахождения медленных уходов частоты АГ можно использовать условие баланса фаз (19.14) (см. лекцию 19).

Каждый фазовый угол, входящий в условие баланса фаз, в общем случае зависит от частоты ωи дестабилизирующего фактораα. Следовательно, условие баланса фаз (19.14) можно записать в виде

. (22.3)

Согласно приведенной записи изменение дестабилизирующего фактора на величину и обусловленное им изменение частоты автоколебаний АГмогут быть связаны следующим уравнением с использованием частных производных фазовых углов по частоте и дестабилизирующему фактору:¹

откуда

(22.4)

Из (22.4) видно, что изменение частоты прямо пропорционально изменению дестабилизирующего фактора и это изменение тем меньше, чем больше величина

(22.5)

и чем меньше величина

Величина dхарактеризует, насколько стабильны фазы средней крутизны, эквивалентного сопротивления нагрузки и коэффициента обратной связи (с учётом проницаемостиD) под воздействием дестабилизирующего фактора.

Величина с(22.5) называется фиксирующей способностью АГ. Фиксирующая способность АГ определяется суммой фиксирующих способностей: АЭ (через среднюю крутизну выходного тока), контура (электрической цепи между выходными электродами АЭ), цепи обратной связи.

Фиксирующая способность АГ оказывается положительной величиной. Действительно, согласно (22.3), учитывая, что изменение суммарного фазового угла под воздействием дестабилизирующего фактора должно быть скомпенсировано за счёт изменения частоты, можно записать:

откуда

В пределе левая и правая части последнего соотношения должны давать одинаковый результат, для чего должно быть

(22.6)

то есть производная по частоте от суммарного фазового угла в балансе фаз АГ должна быть отрицательной. Соответственно фиксирующая способность АГ (22.5)

Очевидно, если принять, что фаза средней крутизны выходного тока АЭ и фаза коэффициента обратной связи не зависят от частоты (см. лекцию 19), то фиксирующая способность АГ определяется фиксирующей способностью электрической цепи, формирующей нагрузку АЭ на частоте автоколебаний. Если эта цепь представляет параллельный колебательный контур, то можно считать²

где ω– частота автоколебаний;ω_К– собственная (резонансная) частота контура;Q– добротность контура.

На основании последнего соотношения получаем

Соответственно фиксирующая способность параллельного колебательного контура

.

Чем выше добротность контура и чем ближе частота автоколебаний к собственной частоте контура, тем выше фиксирующая способность контура, соответственно выше и фиксирующая способность АГ. Физически это соответствует тому, что чем выше добротность контура и чем ближе частота автоколебаний к резонансной частоте контура, тем круче фазочастотная характеристика контура(ω) в зоне частоты автоколебаний. Соответственно, для компенсации ухода фазы под воздействием дестабилизирующего фактора потребуется меньшее изменение частоты автоколебаний. Сказанное поясняется рис.22.1, на котором, для примера, показано положительное отклонение фазового угла Δи соответствующие ему уходы частоты Δω₁и Δω₂при двух значениях добротности контураQ₁иQ₂. Чем выше добротность контура, тем меньше уход частоты для компенсации такого же ухода фазы. Таким образом, для повышения стабильности частоты АГ необходимо, чтобы электрическая цепь, формируемая между выходными электродами АЭ, на частоте автоколебаний была эквивалентна высокодобротному параллельному контуру. Частота автоколебаний при этом будет близка к собственной частоте контура, стабильность которой полностью зависит от стабильности индуктивных и ёмкостных элементов контура. Уход собственной частоты контура при изменении его индуктивности и ёмкости определяется выражением (22.1). Обратим внимание, что к такому выводу мы пришли, приняв, что фиксирующая способность АГ определяется в основном контуром АГ.

В то же время, фазовые углы, входящие в условие баланса фаз (22.3), равноправны и, очевидно, если в цепь обратной связи включить избирательную систему с большой крутизной фазочастотной характеристики, существенно превышающей суммарную крутизну остальных двух фазовых углов, то в этом случае мы получим АГ, фиксирующая способность которого (22.5) будет определяться цепью обратной связи. Как мы в дальнейшем увидим, это используется в некоторых схемах АГ с кварцевой стабилизацией частоты.

Обобщая изложенное выше, методы повышения стабильности частоты АГ можно свести к выполнению двух основных условий:

1. Частота автоколебаний должна определяться в основном параметрами одного какого-либо элемента схемы АГ – контура или цепи обратной связи. Для этого необходимо, чтобы крутизна фазочастотной характеристики, а следовательно, и добротность этого элемента, были по возможности большими.

2. Параметры элемента с высокой добротностью должны мало изменяться под влиянием дестабилизирующих факторов, то есть он должен обладать высокими эталонными свойствами.

Соотношение (22.6) известно в теории АГ как условие устойчивости частоты автоколебаний. Если фиксирующая способность АГ определяется электрической цепью, подключенной к выходным электродам АЭ, то условие устойчивости частоты автоколебаний принимает вид:

(22.7)

Так как на частоте автоколебаний электрическая цепь между выходными электродами АЭ АГ должна проявлять свойства параллельного колебательного контура (см. лекцию 21), то, выражая фазовый угол через реактивныех₁,х₂и активныеr₁,r₂сопротивления ветвей, используя условие (22.7), можно прийти к другой форме условия устойчивости частоты автоколебаний АГ:

. (22.8)

Согласно условию (22.8) на частоте автоколебаний производная по частоте от результирующего реактивного сопротивления при последовательном обходе цепи (х₁+х₂) должна быть положительной.

На рис.22.2 показаны зависимости изменения результирующего реактивного сопротивления со стороны анодного (коллекторного) контура при его последовательном обходе, входящем в систему двух связанных контуров, из которых второй контур образован внешней нагрузкой. Подобная система контуров имеет место в схеме АГ рис.21.4 (см. лекцию 21). Для результирующего реактивного сопротивления со стороны анодного контура в схеме рис.21.4 справедливо следующее выражение:

(22.9)

Пока коэффициент связи контуров, гдеQ_Н– добротность контура нагрузки, зависимость результирующего сопротивления (22.9) имеет вид монотонной кривой без точек перегиба. Частота, на которой результирующее реактивное сопротивление равно нулю (резонансная частота) оказывается вблизи собственной частоты анодного контура (рис.22.2,а). При сильной связи между контурамизависимость результирующего реактивного сопротивления (22.9) трижды проходит через нулевое значение, имея две точки перегиба (рис.22.2,б). Левая и правая частоты, соответствующие нулевому значению результирующего реактивного сопротивления, являются частотами связи контуров: нижнейω_Ни верхнейω_Всоответственно. Как видно из рис.22.2,б, нижняя и верхняя частоты связи удовлетворяют условию устойчивости частоты автоколебаний (22.8), а третья резонансная частота системы, находящаяся между собственными резонансными частотами контуровω_Киω_Н, не удовлетворяет условию частоты автоколебаний АГ (22.8). Следовательно, возникновение устойчивых автоколебаний на этой частоте невозможно. Устойчивые автоколебания в АГ с двухконтурной колебательной системой при сильной связи между контурами возможны на нижней и на верхней частотах связи. При этом в схеме АГ рис.21.4 они могут быть либо на одной частоте, либо на другой (см. явление затягивания частоты, лекция 21), если не принимаются специальные меры. В схемах двухконтурных АГ (рис.21.3) с ОК (ОЭ), с ОС (ОБ), с ОА (ОК) автоколебания возможны только на одной частоте связи, на которой коэффициент обратной связи оказывается положительным (см. лекцию 21). Очевидно, условия устойчивости частоты (22.6) – (22.8) для существования в схеме АГ устойчивых автоколебаний недостаточно. Это условие необходимо, но недостаточно. Как мы знаем, для существования в АГ автоколебаний должен быть обеспечен положительный коэффициент обратной связи, причём величина его должна быть больше некоторого минимального (критического) значения.

К АГ предъявляется также требование стабильности амплитуды автоколебаний. При каком условии это возможно, можно установить следующим образом.

В установившемся режиме АГ амплитуда выходных колебаний

(*)

Обратим внимание, что из (*), если учесть , а, вытекает условие баланса амплитуд АГ (см. лекцию 19).

В процессе работы АГ может изменяться средняя крутизна S_СРи амплитуда управляющего напряженияU_{М УПР}. Эквивалентное сопротивление нагрузкиZ_oeот уровня автоколебаний не зависит.

Изменение амплитуды установившихся автоколебаний можно определить следующим выражением:

Очевидно, при устойчивой амплитуде последнее выражение должно быть равно нулю.

Согласно (*)

.

Соответственно,

откуда следует

Так как S_СР> 0,U_{М УПР}> 0, то из последнего соотношения следует, что в точке устойчивого режима должно быть

Последнее условие известно как условие устойчивости амплитуды автоколебаний АГ и означает, что с увеличением амплитуды управляющего напряжения средняя крутизна выходного тока АЭ АГ должна уменьшаться и, наоборот, с уменьшением амплитуды управляющего напряжения средняя крутизна выходного тока должна возрастать.

Кварцевая стабилизация частоты

Итак, чем выше добротность и чем стабильнее параметры колебательной системы АГ, тем стабильнее будет частота получаемых автоколебаний. Более стабильными параметрами и значительно более высокой добротностью по сравнению с обычными колебательными контурами обладают кварцевые резонаторы. Причём, если в отношении стабильности параметров обычные колебательные контуры не сильно уступают кварцевым резонаторам, то их добротность (порядка нескольких сотен, в лучшем случае) значительно ниже добротности кварцевых резонаторов, достигающей величины до (1…10)·10⁵и даже несколько выше. У специальных кварцевых резонаторов величина добротности достигает (3…6)∙10⁶. АГ с кварцевыми резонаторами в качестве элементов колебательной системы носят название кварцевых автогенераторов (КАГ). Применение кварцевых резонаторов в АГ позволяет относительно легко обеспечить относительную нестабильность частоты автоколебаний порядка ±1·10^-5, а при использовании некоторых дополнительных мер, например, термостатирования, нестабильность частоты может быть доведена до величины ±1·10^-7и даже до ±1·10^-8и выше.

В современных радиопередающих устройствах КАГ находят очень широкое применение, особенно в тех случаях, когда к стабильности частоты генерируемых колебаний предъявляются весьма жёсткие требования.

КАГ могут быть построены как на электронных лампах, так и на транзисторах. При этом ламповые АГ можно считать более стабильными, чем транзисторные, так как транзисторы имеют более низкую температурную и режимную стабильность, а также значительный разброс параметров. Однако практически часто транзисторные АГ по стабильности частоты не уступают ламповым, а по другим показателям значительно превосходят их. К таким показателям относятся, например, габариты, надёжность и долговечность, устойчивость к ускорениям и ударо-вибрационным нагрузкам.³

Основное дестабилизирующее влияние на частоту КАГ оказывает изменение температуры окружающей среды. Поэтому все достаточно высокостабильные КАГ термостатируются.

В зависимости от величины нестабильности частоты КАГ можно разделить на три вида.

1. КАГ общего применения с нестабильностью частоты ±10^-4…10^-5. Такие КАГ не термостатируются и нестабильность их частоты во многом зависит от изменения внешней температуры. Точность установки рабочей частоты у таких КАГ обычно не превышает ±5·10^-6.

2. Опорные КАГ с нестабильностью частоты ±10^-6…10^-7. При этом обязательно применяется термостатирование, причём точность поддержания температуры в термостате не хуже ±0,5⁰С. В таких КАГ используются специальные, тщательно проверенные схемы в весьма облегчённом режиме работы. Точность установки частоты должна быть весьма высока, поэтому используются кварцевые пластины достаточно больших размеров. Частота опорных КАГ обычно не превышает 5 МГц.

КАГ первого и второго видов широко применяются в радиопередающих устройствах.

3. Эталонные КАГ с нестабильностью частоты ±10^-8…10^-9. Такие КАГ используются только в специальных радиопередающих устройствах и измерительной аппаратуре в качестве первичного эталона частоты.

Основным требованием к КАГ является стабильность частоты автоколебаний. Поэтому колебательная мощность КАГ обычно невелика и не превышает 20…30 мВт. При малой мощности КАГ не только уменьшается разогрев элементов колебательной системы, но и упрощается и облегчается его термостатирование. Если требования к стабильности частоты автоколебаний не очень высокие, то колебательная мощность КАГ может быть доведена до 300…500 мВт. При больших уровнях мощности кварцевая пластина не выдерживает механических деформаций и разрушается.

Эквивалентная схема и параметры кварцевого резонатора

Кварц (двуокись кремния SiO₂) встречается в природном состоянии в виде кристаллов горного хрусталя, но в связи с обеднением естественных месторождений в настоящее время в радиотехнике используются изделия из искусственного выращенных кристаллов. Природные или искусственные кристаллы кварца имеют форму шестигранной призмы, ограниченной сверху и снизу шестигранными пирамидами (рис.22.3). Прямая, соединяющая вершины пирамид, называетсяоптической осью(ZZ ^/). Поворот кристалла кварца вокруг этой оси на любой угол не оказывает никакого влияния на распространение света вдоль неё. На поперечном сечении шестигранной призмы кристалла выделяют три пары взаимно-перпендикулярных осей:электрических (ХХ ^/) имеханических(YY ^/). Из кристалла кварца вырезают пластины в виде параллелепипедов, линз или продолговатых брусков, ориентированных определённым образом относительно его осей. Противоположные грани пластины металлизируют, нанося тонкий слой (до 10^-4мм) алюминия, серебра или золота. К металлизации присоединяют электрические контакты из специальных пружин-кварцедержате-лей. Иногда с целью уменьшения потерь оставляют небольшой зазор между держателями и гранями пластины. Для предохранения всей конструкции от внешних воздействий её помещают в пластмассовый, стеклянный или металлический баллон. Внутри баллона нередко создаётся вакуум, что позволяет резко снизить потери, обусловленные трением о воздух. Возможно заполнение баллона водородом, что облегчает отвод тепла от пластины. Конструктивная совокупность из кварцевой пластины, кварцедержателей и баллона получила названиекварцевого резонатора(КвР).

Кварц относится к числу кристаллов, обладающих свойствами прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта. Если сжать пластину кварца вдоль механической или электрической оси, то на перпендикулярной паре граней возникнут заряды противоположного знака (прямой пьезоэффект). Если же к параллельной паре граней приложить электрическое напряжение, то вдоль перпендикулярных осей возникнет механическая деформация пластины (обратный пьезоэффект). Помещённая в электрическое поле высокой частоты, кварцевая пластина испытывает периодические механические деформации благодаря явлению обратного пьезоэффекта, что в свою очередь вызывает появление электрических зарядов на её гранях благодаря явлению прямого пьезоэффекта. Таким образом, пластина кварца претерпевает периодические механические деформации, обусловливающие периодические изменения зарядов на её гранях и, как следствие, протекание через пластину тока смещения. Как всякий упругий механический элемент, кварцевая пластина имеет одну или несколько резонансных частот, интенсивность колебаний на которых наибольшая. Резонансная длина волны (частота) определяется тем линейным размером, вдоль которого укладывается одна полуволна механического колебания. Помимо основной собственной частоты (одной полуволны) в упругом теле пластины возможно возникновение колебаний высших типов (обертонов), частоты которых кратны основной, то есть вдоль линейного размера укладывается несколько стоячих полуволн. Использование одной из таких гармоник нередко является единственной возможностью получения высокостабильных электрических колебаний на частотах в сотни мегагерц. При конструировании КвР, предназначенного для работы на высшей гармонике (так называемогогармоникового кварца), принимаются все меры, позволяющие повысить уровень именно этого колебания. Гармониковые кварцы позволяют стабилизировать частоты АГ вплоть до 200 МГц. Поскольку кварцевая пластина представляет собою трёхмерное тело, то принципиально возможно возникновение множества других деформаций, которые не являются основными. Соответствующие им частоты называютсяпаразитными. Поэтому при изготовлении КвР стремятся так подобрать форму пластины, способ её крепления и вид деформации, чтобы максимально ослабить паразитные колебания. КвР, у которых основная и паразитная частоты колебаний близки, носят названиемноговолнистых. Свойством пьезоэффекта обладают кристаллы более 100 веществ, но наиболее стабильны параметры у кварца, чем и объясняется его широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре.

Наименьшие размеры кварцевой пластины, которые могут быть получены в производственных условиях, соответствуют основной частоте 15 – 20 МГц. Толщина пластины при этом не превышает 0,1 мм.

Если собрать электрическую цепь, представленную на рис.22.4, включающую в себя источник высокочастотного сигнала Е(ω), частота которого может изменяться, КвР, амперметрAи вольтметрUдля измерения тока через КвР и напряжения на нём, и пронаблюдать изменение тока и напряжения от частоты и фазовый сдвиг между током и напряжением, то оказывается, что КвР в соответствие может быть поставлена эквивалентная электрическая схема рис.22.5.

Параметры эквивалентной электрической схемы КвР (рис.22.5): L_К– динамическая индуктивность кварцевой пластины (обычно говорят: динамическая индуктивность кварца, характеризующая инерционные свойства пластины);С_К– динамическая ёмкость кварцевой пластины (динамическая ёмкость кварца, характеризующая упругие свойства пластины);r_К– динамическое сопротивление кварцевой пластины (сопротивление потерь кварца, характеризующее потери энергии на внутреннее трение в пластине и образование ультразвуковых волн в окружающем пространстве);С₀– статическая ёмкость КвР, то есть ёмкость конденсатора с диэлектриком кварцем. Определяется только углом среза, формой и размерами кварцевой пластины. При подключении КвР к схеме в составС₀также будут входить межэлектродная и монтажная ёмкости. СопротивлениеRобусловлено активной проводимостью кварца и кварцедержателя, включая проводимость крепления в баллоне. В схеме добавляется проводимость, обусловливаемая утечкой тока между электродами прибора, к которому подключается КвР. При хорошей конструкции кварцедержателя сопротивлениеRвелико и его обычно не учитывают.

Динамические параметры КвР (кварца) обусловлены явлением пьезоэффекта, поэтому ветвь из L_К,С_К,r_Кносит название пьезоэлектрической ветви. ЗначенияL_Кобычно в пределах от десятых долей до единиц генри, а значенияС_Кв пределах от сотых до десятых долей пикофарад. Сопротивление потерьr_Ксоставляет десятки – сотни Ом. Статическая ёмкость КвРС₀обычно в пределах 2…8 пФ. Часто считаютС_К/С₀= 10^-4…10^-2.

Эквивалентная схема КвР (рис.22.5) соответствует параллельному колебательному контуру 3-го вида (контур с неполным подключением со стороны ёмкостной ветви, см. лекцию 10). Для такого контура, соответственно и для КвР, существуют две резонансные частоты. Первая из них соответствует частоте последовательного резонанса пьезоэлектрической ветви

(22.10)

а вторая (более высокая) – параллельному резонансу

(22.11)

Поскольку С_К/С₀<< 1, то можно считать

(22.12)

На основании (22.12) относительный разнос частот

и при С_К/С₀= 10^-4…10^-2составляет 0,005…0,5%.

Частота последовательного резонанса ω₁определяется только параметрами кварцевой пластины и поэтому может считаться весьма стабильной. Стабильность частоты параллельного резонансаω₂ниже, потому что она зависит от ёмкостиС₀, в состав которой входят такие нестабильные составляющие, как межэлектродная и монтажная ёмкости.

Кроме частот последовательного и параллельного резонансов для характеристики свойств КвР используются ещё две величины:

1. Добротность пьезоэлектрической ветви (добротность КвР)⁴

2. Фактор качества

.

Как отмечалось, кварцевая пластина может возбуждаться на гармониках основной частоты. Соответственно КвР может быть представлен в окрестности частоты каждой гармоники эквивалентной схемой рис.22.5, в которой следует учитывать параметры кварцевой пластины (кварца) на частоте гармоники. В первом приближении можно считать, что связь между параметрами пластины на основной частоте и n-й гармонике определяется следующими соотношениями:

Статическая ёмкость КвР от номера гармоники не зависит, то есть С₀=const.

Следует обратить внимание, что в электрических схемах, включая АГ, КвР возбуждается только на нечётных гармониках механических колебаний. Дело в том, что в схеме через кварцевую пластину протекает ток и на электродах КвР существует электрическое напряжение (разность потенциалов), что возможно только при существовании на обкладках пластины зарядов противоположных знаков, а это, в свою очередь, возможно только, если вдоль соответствующего размера пластины укладывается нечётное число полуволн механических колебаний.

На каждой гармонике КвР соответствуют частоты последовательного и параллельного резонансов, соответственно

добротность кварца

и фактор качества

Измерения показывают, что добротность кварца в действительности не остаётся постоянной и имеет максимум в районе 3…7 гармоники.

Фактор качества , соответственно и, можно рассматривать, в первую очередь, как показатель способности кварцевой пластины возбуждаться на гармониках механических колебаний в схемах КАГ, где КвР должен иметь индуктивную реакцию. Уменьшение фактора качества эквивалентно увеличению шунтирующего действия статической ёмкостиС₀. Очевидно, чем больше номер гармоники, тем сильнее шунтирующее действие ёмкостиС₀. При значении фактора качества > 4…10 в большинстве случаев можно не принимать мер по уменьшению шунтирующего влияния статической ёмкостиС₀. Обычно при значении фактора качества < 4…10 необходима компенсация статической ёмкостиС₀внешней индуктивностью или её нейтрализация мостовой схемой. При факторе качества < 2 КвР практически обладает ёмкостной реакцией во всём интервале интересующих частот и применение его теряет смысл.

При рассмотрении схем КАГ параллельный колебательный контур (рис.22.5), эквивалентный КвР, в ряде случаев удобно заменить эквивалентным последовательным соединением реактивного x_oeи активногоr_oeсопротивлений, как это показано на рис.22.6,а. На рис.22.6,бпоказан характер изменения этих сопротивлений от частоты. Резонансные частоты, при которыхx_oe= 0, с большой степенью точности совпадают с частотамиω₁иω₂, найденными без учёта потерь (22.10), (22.11).

В интервалах частот 0… ω₁иω₂…∞ реактивное сопротивление КвР носит ёмкостный характер, а в интервале частотω₁… ω₂– индуктивный характер, причём в некотором интервале частотω₁… ω₀<ω₂индуктивное сопротивление по величине больше активного. Вблизи частотыω₁КвР ведёт себя как последовательный колебательный контур с высокой добротностью, а вблизи частотыω₂– как высокодобротный параллельный колебательный контур. Благодаря высокой добротности фазочастотная характеристика КвР вблизи частот последовательногоω₁и параллельногоω₂резонансов имеет большую крутизну, что, как указывалось, очень важно для построения высокостабильных АГ. В ряде широко применяемых схем КАГ КвР используется в качестве индуктивного элемента колебательной системы АГ. Такие схемы носят названиеосцилляторных. В других схемах КвР используется в качестве узкополосного фильтра, обычно включенного в кольцо цепи возбуждения и проявляющего при этом свойства последовательного колебательного контура. Такие схемы КАГ носят названиефильтровых.