2.2 Технічні характеристики блоку.

У схемі генератора Пірса, яка приведена на (мал. 2.4), кварцовий резонатор разом з конденсаторами С5 м С1, утворюють послідовний коливальний контур з послідовно включеною ємністю:

(2.1)

Коливальний контур збуджується з боку колектора. Якщо виходити з того, що струм в коливальному контурі більше, ніж струм збудження, то на конденсаторах С1 та Cs присутні протифазні сигнали. Внаслідок цього виникає позитивний зворотній зв’язок.

В якості підсилювача на даний час частіше використовуються інвертори на КМОН (комплементарний метал-оксидний-напівпровідник) транзисторах. Така схема представлена на (мал. 2.4). Вона потребує не тільки невелику кількість комплектуючих виробів, але й мінімально демпфірує.

Малюнок 2.4. Генератор Пірса з підсилювачем за схемою зі спільним еміттером.

Резистором встановлюється робоча точка на рівні Ue = Ua ≈ ½Ub. Він може бути дуже високоомним, так як практично ніякого вхідного струму транзистори не споживають.

Мал. 2.5. Генератор Пірса на КМОН інверторі в якості підсилювача.

Кварцовий генератор за схемою (мал. 2.6) працює так само, як мультивибратор з еміттерним зв’язком. Глибину позитивного зворотного зв’язку можна встановлювати, вимірюючи крутизну транзисторів за допомогою резисторів в ланцюгах емітерів. Опір резисторів обирають настільки великими, щоб схема іще впевнено генерировала, але не дуже сильно перевантажувалася. Тоді різниця вихідних напруг та, струм крізь кварцовий резонатор будуть приблизно синусоідальними. Відповідне автоматичне регулювання підсилення використовується, наприклад, в інтегральній мікросхемі МС12061.

Малюнок 2.6. Генератор на основі мультивібратора с еміттерним зв’язком.

Прецизіонний генератор с заземленим резонатором представлений на (мал.2.7). Щоб добротність кварцового генератора резонатора не погіршилась, джерело сигналу при послідовному резонансі повинно бути, по можливості, низькоомним. Цій меті служить емітерний повторювач, зібраний на ранзисторі Т1. Струм, що проходить крізь кварцовий резонатор Δl, після проходження крізь перетворювач струм-напруга на транзисторі Т2 створює напругу ΔVC2 = ΔIR2. Сигнал позитивного зворотного зв’язку надходить з виходу емітерного повторювача на транзисторі Т4 на базу повторювача на Т1. На частоті послідовного резонанса кварцового резонатора збільшується крутизна транзистора Т1 та, разом з нею, коефіцієнт підсилення схеми при замкнутому ланцюгу зворотного зв’язку. Аттенюатор R5, R6 встановлюють таким чином, щоб змінна напруга на кварцовому резонаторі складала не більше 10мВ. Тоді потужність, що розсіяна в кварцовому кристалі, буде настільки малою, що стабільність частоти не буде погіршуватися. Краще всього використовувати аттенюатор з електронним керуванням, наприклад примножувач крутизни, який за допомогою амплітудного регулятора встановлюють в необхідне положення.

Малюнок 2.7. Прецизіонний кварцовий генератор.

Кварцові резонатори для частот більше 30 МГц важко реалізуємі. Якщо виникає необхідність в генерації високих частот зі стабільністю, що відповідає кварцовим генераторам, можуть використовуватися або LC-генератори с низькочастотними стабільними кварцовими резонаторами, або схеми з кварцовими резонаторами, які працюють на вищих гармоніках.

Якщо розглядати представлену на (мал. 2.8) залежність реактивного опору кварцового резонатора від частоти, то видно, що вона володіє часними гармоніками резонанса. І також, для роботи кварцового резонатора на вищих гармоніках, необхідний підсилювач, коефіцієнт підсилення якого, поблизу бажаної частоти, був би максимальним. Цього можна досягти застосуванням додаткового LC-коливального контуру.

Малюнок 2.8. Типова частотна залежність комплексного опору кварцових резонаторів.

Якщо ввести кварцовий резонатор в ланцюг позитивного зворотного зв’язку в схему генератора Хартлея, виходить схема, що представлена на (мал. 2.9).

Малюнок 2.9. Схема генератора Хартлея з кварцовим резонатором.

LC-коливальний контур налаштовується на бажану гармоніку. Тоді для цієї частоти коефіцієнт підсилення буде найбільшим, і кварцовий резонатор буде збуджуватись відповідною гармонікою. Схема модифікованого генератора Колптиця представлена на (мал. 2.11).

Генератор з кварцовим резонатором в ланцюгу позитивного зворотного зв’язку зображений на (мал. 2.11). На частоті рез онанса LC-коливальний контур взаємодіє по ланцюгу позитивного зворотного зв’язку з бажаними гармоніками кварцового резонатора. Найпростіша реалізація необхідного високочастотного підсилювача отримується при використанні елемента ЕСЛ (Емітерно зв’язані логічні елементи). В першу чергу, для цього придатний приймач з лінії, так як у нього опорний потенціал по відношенню до VBB керується з зовні. Якщо коливальний контур підключений, як показано на мал. (2.12), режим підсилення відповідає оптимальній робочій точці. Конденсатор С1 служить коротким замиканням для VBB лише на високих частотах. Вихідне напруження в першому приближенні має синусоїдальну форму. Якщо потрібна прямокутна форма ЕСЛ-сигналу, то в подальшому необхідно використовувати приймач з лінії в режимі переключення.

Малюнок 2.11 . Схема генератора Колптиця з кварцовим резонатором.

Малюнок 2.12. Генератор с емітерним зворотнім зв’язком та кварцовою стабілізацією частоти.

2.3 Обґрунтування елементної бази.

Принципова електрична схема генератора представлена на (мал.2.13).

Малюнок 2.13. Принципова електрична схема LC автогенератора з трансформаторним зворотнім зв’язком.

В цьому генераторі в якості підсилювального елемента використовується транзистор VT1 включений за схемою з загальним еміттером. Навантаженням транзистора є паралельний коливальний контур L2 C2. Цей контур використовується як коливальна система, за допомогою якої формуються коливання, та як вибірковий ланцюг, від якого залежить частота й форма коливань. Катушки індуктивності L1 та L2 утворюють високочастотний трансформатор. Крім того котушка L1 є елементом зворотного зв’язку, за допомогою якого коливання подаються на базу транзистора. Резистори R1 та R2 утворюють дільник напруги. За його допомогою на транзистор подається напруга зміщення U0, яким задається полож ення робочої точки на вольт-амперній характеристиці. Резистор R3 є температурною стабілізацією транзистора. Також R3 з конденсатором C4 утворює ланцюг автоматичного зміщення, який здійснює переключення генератора з м’якого режиму самозбудження в жорсткий. Конденсатори С1 та С3 є розділовими, та відділяють постійну складову струму живлення від змінної складової коливань. Електроживлення генератора здійснюється від джерела Ек.

Принцип дії генератора полягає в наступному. При включенні джерела живлення Ек виникає заряд конденсатора C2, який потім розряджається на L2. Таким чином, в контурі з’являються коливання. Ці коливання, за рахунок ЕДС взаємоіндукції, збуджують змінну напругу в котушці L1, яка разом з напругою зміщення U0 поступає на базу транзистора. За рахунок підсилювальних якостей, коливання, що виникли, наростають. По мірі наростання амплітуди коливань зростає струм бази транзистора. Постійна складова цього струму створює падіння напруги на R3 (змінна складова цього струму проходить крізь конденсатор С4). В наслідок цього, напруга зміщення, що подається на транзистор, зменшується. Зменшення U0 приводить до зміщення робочої точки вниз по характеристиці, і генератор переходить в жорсткий режим самозбудження. Коливання зростають до значення точки стійкої рівноваги, та потім генератор переходить в стаціонарний режим роботи.

Умови балансу амплітуд виконуються за рахунок підсилювальних якостей транзистора. Умова балансу фаз виконується за рахунок транзистора включеного за схемою із загальним емітером (здійснює зсув фази на 180°) та котушок індуктивності L1 та L2 (при подібному включенні, кожна котушка здвигає фазу на 90°).

Частота коливань які виробляються даним автогенератором визначається :

wг=l(sqlrt(L2С2)) (2.1)

Амплітуда генерованих коливань визначається виразом:

Umвых=Im1*wг*L2 (2.2)

Коефіцієнт зворотного зв'язку визначається виразом:

Кзз=М/L2 (2.3)

де М — взаємна індуктивність між котушками L1 и L2.

Умови самозбудження генератора визначаються нерівністю:

М(sqrt(L2C2 * QSдиф))>1 (2.4)

де Q — добротність коливального контуру;

Sдиф — диференціальна крутизна вольт-амперної характеристики посилюючого елементу.