Нестабильность частоты автогенераторов

Основными факторами, вызывающими изменение частоты генерируемых в АГ колебаний являются механические воздействия, изменение температуры деталей АГ, непостоянство напряжений источников питания, изменение нагрузки генератора, изменение влажности и давления окружающей среды, внешние электромагнитные поля.

Изменение температуры деталей генератора может происходить либо за счет изменения температуры окружающей среды, либо за счет разогрева транзистора и элементов колебательной системы. С ростом температуры деталей увеличиваются их геометрические размеры и диэлектрическая проницаемость используемых изоляционных материалов. Поэтому рост температуры сопровождается увеличением индуктивностей катушек и соединительных проводников, емкостей конденсаторов КС и паразитных емкостей, что вызывает уменьшение частоты генерации.

Изменение температуры транзистора и колебательной системы АГ приводит к изменению одного или нескольких фазовых углов, входящих в уравнение баланса фаз (3.1), что сопровождается изменением частоты генерируемых колебаний.

При увеличении температуры биполярного транзистора (БТ) его статические характеристики сдвигаются влево, что приводит к уменьшению напряжения запирания, росту коллекторного и базового токов и некоторому уменьшению крутизны характеристик. Эти явления сопровождаются изменением фазового угла средней крутизны, обусловленным как ростом коллекторного тока и соответствующим увеличениям постоянной времени входной цепи, так и изменениям гармонического состава базового напряжения. Кроме того, с ростом тока базы увеличивается входная проводимость БТ, что приводит к соответствующему изменению фазового угла коэффициента обратной связи .

Простейшей мерой, обеспечивающей температурную стабилизацию режима работы транзистора, является включение цепочки автоматического смещения R_Э, С_Э в эмиттерную цепь транзистора (рис. 3.2 и 3.8). Эта цепь создает отрицательную обратную связь (ООС) по току. Благодаря ООС понижается влияние на БТ и другие дестабилизирующие факторы (изменения параметров схемы и питающих напряжений). Например, при сопротивлении R_Э=5 кОм и увеличении напряжения смещения на базе Е_СМ на 5В постоянная составляющая коллекторного тока I_Ko возрастает лишь на ∆I_Ko= Е_СМ/R_Э=1мА. Также будет ослаблено влияние на режим работы транзистора изменения напряжения коллектора Е_К в перенапряженном (при очень малых напряжениях Е_К) и, тем более, в недонапряженном режимах работы транзистора. В недонапряженном режиме работы ток I_КО практически не зависит от величины Е_К, поскольку кривые коллекторного тока на выходных характеристиках транзистора параллельны оси абсцисс (проницаемость D транзисторов обычно принимают равной нулю).

При изменении температуры колебательной системы АГ ее резонансная частота f изменяется на величину

,

где ∆T и ∆f - изменение температуры и частоты;

ТКЧ – температурный коэффициент частоты.

Соответственно изменению резонансной частоты изменяется и частота генерации.

ТКЧLC-контуров равен:

ТКЧ = −0,5(ТКЕ+ТКИ),

где ТКЕ = ∆С/(С∆Т) и ТКИ = ∆L/(L∆T) – температурные коэффициенты емкости и индуктивности.

Обычно ТКЕ<<ТКИ≈200∙10^-6, так что для LC-контуров ТКЧ≈1∙10^-4 1/град. КР имеют гораздо меньший ТКЧ. При удачном выборе среза (т.е. углов относительно осей кристалла) их ТКЧ может составлять 10^-6 1/град и менее в довольно широком интервале температур.

Воздействие внешних дестабилизирующих факторов и внутренних шумов приводит к тому, что колебания на выходе АГ не являются монохроматическими и могут быть представлены в виде узкополосного сигнала, амплитуда и фаза которого медленно изменяются во времени.

В качестве количественной характеристики неста-бильности частоты во многих случаях удобно использовать дисперсию усредненного уклонения частоты , зависящую как от времени наблюдения, так и от времени усреднения.

Понятия кратковременной и долговременной неста-бильностей носят качественный характер и не позволяют ввести количественные характеристики. Чтобы устранить этот недостаток, установлены стандартные интервалы усреднения и наблюдения . Для оценки кратковременной нестабильности обычно выбирают равным 0,001; 0,01; 0,1 с при =100 с, а для долговременной нестабильности =1 сутки при равном 1 месяцу, 6 месяцам, 1 году.

При практических измерениях абсолютное значение кратковременной нестабильности частоты определяется с помощью соотношения

,

где ;

- число измерений усредненной частоты;

- момент начала -го измерения;

- время наблюдения, равное интервалу времени между началом первого и последнего измерений.

Отсутствие случайных погрешностей при измерениях свидетельствует о недостаточной чувствительности метода измерений (низкой точности измерительного прибора в данном режиме работы). Также измерения являются недостоверными и потому их следует отбросить.

При измерениях частоты необходимо обеспечить высокую стабильность условий эксперимента (обеспечить постоянство температуры и питающих напряжений, исключить влияние помех, вибраций и других факторов). При высокой стабильности условий эксперимента средние значения частоты во всех сериях измерений будут практически одинаковыми.