§ 4.6. Стабилизация частоты

LС-автогенераторов гармонических колебаний

Во время работы любого автогенератора частота его колебаний не остается постоянной. Она изменяется по случайному закону и оцени­вается абсолютной и относительной нестабильностью.

Абсолютной нестабильностью частоты автогенератора называют разность А/ между текущим (f) и номинальным (f₀) значениями часто­ты, а относительной нестабильностью — отношение Аf//₀я^f///. Стабильность частоты автогенератора является одним из важней-ших электрических показателей не только генератора, но и всей радио­электронной системы, в которой этот генератор используется. Напри­мер, в любой радиолинии стабильность частоты автогенератора пере­датчика определяет надежность и бесперебойность работы радиоли- нии, а стабильность частоты автогенератора промышленных устано­вок — такой важнейший параметр, как точность технологического процесса. Поэтому требования, предъявляемые к стабильности, чрез­вычайно высоки (относительная нестабильность до 10~⁹), а при созда­нии высокостабильиых по частоте генераторов допускают значитель­ное усложнение и удорожание схемы.

Прежде чем рассматривать механизм изменения частоты в автоге­нераторе, полезно провести аналогию между электрическим и механи­ческим генераторами.

Механическим аналогом LС-автогенератора является маятник с «подталкивающим» механизмом, представляющим собой некоторый ис­точник энергии, который в определенные моменты времени подталки­вает маятник. Для того чтобы использовать колебания маятника, к не­му присоединяют второе устройство — нагрузку, в которую маятник передает часть своей энергии.

Очевидно, стабильность колебаний такой механической системы будет определяться тремя факторами: эталонностью маятника, свой­ствами источника энергии и нагрузки. При этом стабильность будет тем выше, чем более постоянны во времени параметры маятника и чем меньшая энергия за один раз вводится в маятник и отбирается от него. Следовательно, для получения в рассматриваемой механической сис­теме незатухающих колебаний с высокой стабильностью частоты не­обходимо, чтобы маятник обладал двумя свойствами: 1) высокой эта­лонностью; 2) малыми потерями (высокой добротностью).

Роль электрического маятника в LС-автогенераторе играет колеба­тельная система, поэтому стабильность частоты автогенератора прежде всего зависит от ее свойств, которые определяются как свойствами ко­лебательного контура, так и параметрами других элементов схемы. Последнее связано с тем, что в любом автогенераторе колебательный контур не может быть совершенно изолирован от других элементов, а значит, на стабильность частоты генератора неизбежно оказывают влияние паразитные емкости, изменения параметров активных эле­ментов и нагрузка. Это может привести к тому, что даже при очень высокой эталонности и добротности колебательного контура эталонность и добротность колебательной системы автогенератора может ока­заться низкой.

Наиболее существенными факторами, влияющими на стабильность частоты автогенератора, являются: изменения внешних условий работы (температуры, влажности, механических воздействий), которые непо­средственно влияют на параметры колебательной системы; изменения величины нагрузки автогенератора; изменения напряжений источни­ков питания; шумы активных элементов.

Для получения высокостабильных колебаний необходимо не только обеспечить высокую эталонность и добротность колебательной системы автогенератора, но и добиться слабого влияния на ее параметры ука­занных факторов.

В настоящее время наиболее распространенными являются два метода стабилизации частоты. Первый метод заключается в использо­вании обычных схем, в которых предусматриваются специальные кон­структивные меры для повышения эталонности колебательной системы. Второй метод состоит в переходе от электрических колебательных сис­тем к электромеханическим, которые позволяют получить значительно более высокую стабильность частоты в таких специальных автогене­раторах.

Основные конструктивные меры, применяемые при первом способе стабилизации частоты, следующие: 1) в качестве элементов колеба­тельных LС-контуров используют высокостабильные индуктивные катушки и конденсаторы; 2) предусматривают, чтобы автогенераторы отдавали в нагрузку незначительную мощность и их активные эле­менты работали в линейном режиме; 3) для питания автогенераторов используют высокостабильные источники питания; 4) между нагруз­кой и автогенератором ставят специальный буферный каскад, имею­щий постоянное и большое по величине входное сопротивление, что позволяет сохранить высокую добротность колебательного контура автогенератора; 5) автогенератор помещают в термостат для устране­ния влияния температуры окружающей среды.

С помощью указанных мер удается получить нестабильность ча­стоты автогенераторов порядка 10~⁴. Для дальнейшего повышения стабильности частоты необходимо увеличивать добротность колеба­тельного контура и улучшать его эталонные свойства. Однако эти меры не всегда оказываются достаточными для обеспечения требуемой стабильности частоты автогенераторов. В тех случаях, когда необ­ходима нестабильность частоты менее 10~⁵, в автогенераторах вместо LС-контуров применяют электромеханические колебательные системы, в частности кварцевые резонаторы,

Рис. 4.18. Эквивалентная схема (б) и частотные характеристики (а, б) кварцевого резонатора

Если из кристалла кварца (SiO₂) вырезать прямоугольную пла­стинку, грани - которой определенным образом ориентированы по отношению к осям кристалла, то в ней будет наблюдаться прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты (пьезоэффекты). Прямой пьезо- -эффект состоит в том, что при механическом воздействии (сжатии или растяжении) на гранях пластинки появляются электрические заряды. Обратный пьезоэффект выражается в деформации кварцевой пластинки под воздействием электрического поля.

Пьезоэффект кварцевой пластинки при статических воздействиях выражен очень слабо, но при переменных воздействиях он значи­тельно усиливается. При подведении к кварцевой пластинке внешнего переменного напряжения в ней возникнет ток /. Если частота пере­менного напряжения далека от собственной частоты кварцевой пла­стинки, величина тока будет малой. С приближением частоты внеш­него переменного напряжения к собственной частоте кварцевой пла­стинки обратный пьезоэффект возрастает и амплитуда механических колебаний пластинки резко увеличивается. Это приводит к возра­станию прямого пьезоэффекта и значительному росту тока /, который достигает максимума при совпадении частоты внешнего переменного -напряжения с собственной частотой кварцевой пластинки (рис. 4.18, а). Такую кварцевую пластинку можно рассматривать как электромеха­ническую колебательную систему и сравнивать ее свойства с обычным колебательным контуром. Так как частотная характеристика квар­цевой пластинки оказывается такой же, как у последовательного колебательного контура, кварцевую пластинку можно представить в виде эквивалентной схемы последовательно соединенных индуктив­ности Lq емкости С_д и сопротивления rq В связи с тем, что резонанс­ные свойства кварцевой пластинки выражены очень резко, можно считать, что параметры кварцевой пластинки Lq, Сq и rq имеют такие значения, которые соответствуют очень высокой добротности экви­валентного контура. Типичные их значения таковы: Lq — сотни мил­лигенри,Сq — сотые доли пикофарады, г — единицы ома. Поскольку кварцевая пластинка независимо от пьезоэлектрических свойств ведет себя как обычный конденсатор, емкость С которого определяется гео­метрическими размерами пластинки, общая эквивалентная схема кварцевой пластинки имеет вид, показанный на рис. 4.18, б. Доброт-

ность кварцевых пластинок достигает сотен тысяч, тогда как доброт­ность обычных /.С-контуров не превышает сотен единиц. При этом высокая механическая прочность и слабая зависимость свойств кварца от температуры обусловливают высокую эталонность собственной частоты кварцевой пластинки.

В реальных радиоэлектронных устройствах используют пла­стинки, вырезанные из кристалла кварца (природного или искусст­венно выращенного) под разными углами относительно его кристалло­графических осей. Ориентацию пластинки относительно этих осей называют срезом. Кварцевая пластинка определенного среза, кон­такты для подключения к внешней цепи и специальная конструкция, на которой крепится кварцевая пластинка (кварцедержатель) обра­зуют кварцевый резонатор. Электрические и механические свойства кварцевого резонатора связаны между собой прямым и. обратным пьезоэффектами, возникающими с приложением к кварцевой пла­стинке механических воздействий и электрического напряжения. Электрическая схема кварцевого резонатора не отличается от элект­рической схемы кварцевой пластинки, только к емкости С₀ добав­ляется емкость кварцедержателя.

Частотная характеристика кварцевого резонатора Х(}) приведена на рис. 4.18, в. Она имеет два резонанса: последовательный и парал­лельный.

Найдем резонансные частоты. В последовательном резонансе участвуют элементы /^ и С_д, следовательно,

(4.33)

В параллельном резонансе участвуют все реактивные элементы схемы кварцевого резонатора и

Учитывая, что , получим

(4.34)

Так как /^ и С_д определяются только геометрическими размерами кварцевой пластинки, оказывается, что частоты последовательного резонанса и практически совпадающего с ним параллельного резо­нанса будут очень стабильны и могут использоваться в качестве эта­лонных.

Важно отметить, что для любых частот, кроме f₂—fъ сопротивление кварцевого резонатора имеет емкостный характер и лишь для этой узкой полосы частот (грубо говоря, только на одной частоте /д) —ин­дуктивный. Поэтому кварцевые резонаторы в схемах автогенераторов можно использовать не только как эталонные фильтры, но и как эта­лонные индуктивности.

Рис. 4.19. Обобщенные схемы транзисторных кварцевых генерато­ров: с кварцем в цепи обратной связи (а); трехточечная (б)

Рис. 4;20. Схема квар­цевого генератора на туннельном диоде

Примером первого способа использования кварцевого резонатора является обобщенная схема кварцевого генератора с кварцем в цепи обратной связи (рис. 4.19, а). В этой схеме на всех частотах, кроме частоты последовательного резонанса, сопротивление кварцевого резонатора велико. Значит, величина обратной связи для всех частот (кроме /д) будет незначительной и в схеме генератора не будет выпол­няться условие баланса амплитуд. Только на частоте /1=/_д сопротивление кварцевого резонатора будет малым (г_д), а величина обратной связи— большой, т. е. только на частоте, равной собственной частоте кварцевого резонатора, в схеме будет выполняться условие баланса амплитуд и в генераторе возможно возбуждение незатухающих гар­монических колебаний.

Примером второго способа использования кварцевого резона­тора являются трехточечная обобщенная схема кварцевого генератора, в которой кварцевый резонатор применяют в качестве индуктивности и включают в соответствующий участок схемы. В транзисторных квар­цевых генераторах в индуктивной трехточечной схеме кварцевый резонатор может быть включен либо между базой и эмиттером, либо между коллектором и эмиттером. В емкостной трехточечной схеме кварцевый резонатор необходимо включать между базой и коллектором (рис. 4.19, б). В трехточечных схемах самовозбуждение возможно только в том случае, когда колебания кварцевого резонатора проис­ходят на частоте /=/д. Колебания резонатора на частоте /^/^ неза-" медлительно приводят к срыву колебаний в генераторе, так как не-довозбужденный кварцевый резонатор или резонатор, колеблющийся на частоте /^=/д, представляет собой емкостное сопротивление, а при этом в схеме генератора не будет выполняться условие баланса фаз, В последнее время стали использовать кварцевые генераторы на туннельных диодах. Обобщенная схема такого генератора показана

на рис. 4.20. Колебательная система генерато­ра образована индуктивностью L, емкостью С, сопротивлением R и кварцевым резонатором Кв. Для всех частот, кроме f_д, сопротивление квар­цевого резонатора велико, оно слабо шунтирует резистор К и в контур генератора вносится большое сопротивление. За счет больших по­терь в контуре колебания в генераторе на частотах/Ч^/д не возбуждаются. Лишь на час-

ротивление кварцевого резонатора мало (rq), оно сильно шунтирует резистор R, потери в контуре оказываются незначи­тельными, устойчивость схемы наруша-,, ется и в генераторе возбуждаются гар-| монические колебания на частоте, близ-кой к fq.

В заключение отметим, что современ­ный высокостабильный кварцевый гене­ратор представляет собой достаточно сложное устройство, в которое кроме автогенератора входят буферный каскад.

Рис. 4.21. Принципиальная схе­ма интегрального-кварцевого ге­нератора

_ термостат, стаоилизированные источники питания, системы амортиза­ции и влагозащитные устройства. К узлам, входящим в кварцевый I генератор, предъявляются жесткие требования. Например, изменения ' температуры резонатора не должны превышать сотых долей градуса, а стабильность напряжений питания должна быть не хуже 10~³—10~⁵. Поэтому в последнее время в качестве кварцевых генераторов приме­няют только транзисторные генераторы или генераторы на туннель­ных диодах, которые могут быть изготовлены в интегральном испол­нении и целиком помещены в термостат. Примером такого транзи­сторного кварцевого генератора (емкостная трехточечная схема) является схема, приведенная на рис. 4.21. Здесь резисторы R1, R₂, R3, R₄ и конденсатор С₄ служат для создания необходимого режима транзистора по постоянному току, остальные элементы схемы опре­деляют его режим по переменному току. Основные недостатки кварцевых генераторов связаны с тем, что генерируемая ими частота жестко связана с геометрическими раз­мерами кварцевой пластинки. Это означает, что кварцевые генераторы Hельзя перестраивать в процессе работы. Кроме того, собственные частоты кварцевых резонаторов лежат в определенном диапазоне ча­стот, расширить который практически невозможно, так как для этого требуется изготовить или слишком тонкую, или с лишком толстую кварцевую пластинку.