7.3. Нестабильность частоты аг и пути ее снижения

Различают два вида нестабильности частоты:

1) долговременную (медленные изменения частоты) из-за изменения параметров окружающей среды, напряжения питания, старения элементов АГ и т.д. Оценивается она относительной нестабильностью δf=Δf/f_ном, где Δf – абсолютное отклонение измеренной частоты от заданного номинального значения f_ном;

2) кратковременную (быстрые флуктуации частоты) из-за тепловых и дробовых шумов, пульсаций напряжений источников питания, вибрации и т.п. С учетом случайного характера этих быстрых изменений частоты их рассматривают обычно как частотный (фазовый) шум и для оценки кратковременной нестабильности частоты используют не величину δf, а спектральную плотность мощности фазового шума.

Из параметров окружающей среды наиболее существенно влияет на стабильность частоты генераторов температурный дестабилизирующий фактор, так как основные параметры транзистора и контурной системы с изменением температуры меняются весьма значительно. Источники питания, как правило, оснащают электронными стабилизаторами напряжения, что защищает АГ от флуктуаций напряжения питания. От механических вибраций можно уберечься простыми конструкторскими мерами: применением амортизаторов или заливкой схемы компаундами. С термостабилизацией сложнее и приходится принимать дополнительные меры.

Относительная нестабильность частоты трехточечного автогенератора без принятия специальных мер по термостабилизации обычно составляет δf=10^-4...10^-3. Это значение не устраивает потребителей практически всех видов радиоаппаратуры, и температурная стабилизация потребовала от разработчиков аппаратуры сравнительно сложных усилий.

Как отмечалось в разделе 7.2.1, частота колебаний АГ определяется резонансной частотой его контура (хотя в точности и не равна ей). Резонансная частота контура равна

_, (7.17)

где L и С – полные его емкость и индуктивность.

Взяв от выражения (7.17) полный дифференциал и перейдя от бесконечно малых приращений к конечным, получаем формулу:

_. (7.18)

При изменении температуры изменяются индуктивность и емкость колебательного контура (ΔL, ΔC≠0). Как следует из формулы (7.18), наиболее легкий способ, позволяющий на порядок улучшить стабильность частоты АГ, заключается в применении реактивных элементов с различными температурными коэффициентами.

Относительные изменения емкости и индуктивности под влиянием температуры оцениваются температурными коэффициентами емкости (ТКЕ) – α_Е и индуктивности (ТКИ) – α_И, зависящими от конструкции этих деталей, применяемых диэлектриков и материала проводников, а также от геометрических размеров самих деталей:

_{, .}

Относительное изменение резонансной частоты контура АГ можно представить в аналогичном виде:

_,

где α_f – температурный коэффициент частоты. В соответствии с формулой (7.18) можно записать:

_. (7.19)

Температурный коэффициент индуктивности α_И – положительная величина, так как металлические проводники с ростом температуры расширяются. Иная ситуация с конденсаторами. Промышленность выпускает конденсаторы с различными по знаку ТКЕ как с положительными, так и с отрицательными, что достигается применением различных диэлектриков и методов построения конструкции конденсатора. Величина ТКЕ указывается в марке конденсатора. Поэтому можно применить параметрическую стабилизацию, заменив каждую емкость в схеме генератора параллельным соединением двух емкостей с различными по знаку ТКЕ. Рост температуры вызовет увеличение одной и уменьшение другой емкости. Выбором последней можно добиться того, что α_f ≈ 0. Такой параметрический способ термостабилизации хорош только для частот ниже нескольких десятков мегагерц, так как на более высоких частотах номиналы конденсаторов уменьшаются, а дополнительное включение в АГ новых элементов вносит, кроме того, нестабильные емкости и индуктивности монтажа.

Другой способ термостабилизации заключается в термостатировании автогенератора. Генератор помещается в минитермостат, в котором постоянно поддерживается температурный режим с отклонением не более долей градуса от оптимальной температуры работы полупроводниковых приборов (она обычно лежит в интервале от 47 до 53ºС). Этот метод активно используется в измерительной и специальной аппаратуре, требующей надежного освобождения характеристик тактовых задающих генераторов от температурной зависимости.

Механизм изменения частоты колебаний АГ под действием дестабилизирующих факторов, влияющих на величину индуктивности и емкости колебательного контура АГ (механические вибрации, изменения температуры, паразитных реактивностей транзистора и др.), является важным, но не единственным. Второй механизм – это изменение частоты колебаний из-за нестабильности фазовых углов φ_s и φ_oc, которое возникает вследствие изменения режима АГ. Факторами, влияющими на режим, являются питающее напряжение, нагрузка АГ, а также вновь температура.

Этот механизм заключается во влиянии нестабильности указанных фазовых углов φ_s,oc на условие фазового баланса АГ. Действие механизма можно наглядно показать, рассматривая графическое решение уравнения фазового баланса (7.7) при возникновении нестабильности φ_s,oc (рис. 7.13).

Рис. 7.13. Нестабильность частоты АГ при изменении фазового угла φs,oc

Как видно из рисунка, на величину сдвига частоты колебаний АГ Δωкол = ω´кол - ωкол влияет собственно величина φsoc, но также и форма фазочастотной характеристики колебательного контура φк(ω), которая зависит от его добротности Q. Нетрудно видеть, что с ростом Q при неизменной величине Δφs,oc нестабильность Δωкол уменьшается. Поскольку характеристика φк(ω) имеет наибольшую крутизну

вблизи резонансной частоты колебательного контура ω₀, величина Δω_кол зависит также и от абсолютного значения φ_s,oc: чем меньше φ_s,oc (т.е. чем ближе частота колебаний АГ ω_кол к ω₀), тем меньше нестабильность Δω_кол при прочих равных условиях.

Приведенные рассуждения позволяют сделать важные выводы относительно путей снижения нестабильности частоты АГ, обусловленной влиянием дестабилизирующих факторов, воздействующих на фазовый угол φ_s,oc. Во-первых, необходимо тщательно стабилизировать режим АГ, в частности, напряжение питания, чтобы поддерживать неизменным φ_s,oc. Во-вторых, в АГ необходимо применять колебательные контуры с высокой добротностью. Эффективным путем повышения стабильности частоты является включение в состав АГ высокодобротных КС: кварцевых резонаторов, резонаторов на поверхностных акустических волнах и др. В АГ следует применять транзисторы с высокой граничной частотой, чтобы выполнялось условие ω_кол<<ω_s(ω_s – граничная частота транзистора по крутизне). В этом случае фаза средней крутизны φ_s ≈0 и уменьшается абсолютная величина φ_s,oc. Для снижения второй составляющей фазового угла φ_s,oc – фазы коэффициента ОС φ_oc необходимы транзисторы с большей величиной активной составляющей входного сопротивления. Таковыми, как известно, являются полевые транзисторы (ПТ). Поэтому АГ на высокочастотных ПТ превосходят АГ на биполярных транзисторах по стабильности частоты, но уступают им по уровню фазовых шумов.

Как отмечалось, АГ с КС на LС-элементах обладают относительно низкой стабильностью частоты (нестабильностью порядка 10^-3...10^-4). В тех случаях, когда требуется более высокая стабильность частоты, в АГ применяются высокодобротные механические колебательные системы с высокой эталонностью параметров, из которых наиболее широкое распространение получили кварцевые резонаторы (КР). Существование прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта в кварце, допускающего практически полное преобразование электрической энергии в механическую и обратно, делает удобным использование КР в качестве колебательной системы АГ. Автогенераторы, в которых для стабилизации частоты применяются КР, носят название кварцевых (КАГ). КАГ имеют широчайшее применение в технике: от бытовых часов до сложных радиоэлектронных устройств. Теория кварцевой стабилизации частоты, схемы КАГ и их свойства описаны в методических указаниях к лабораторной работе [10].