книги из ГПНТБ / Альтшуллер Г.Б. Кварцевая стабилизация частоты

Найдем значение средней крутизны туннельного диода из (8.56) и, подставляя его в (8.55), получим следующее выражение для ча­ стотных соотношений в генераторе на туннельном диоде:

Выражение полного эквивалентного приведенного реактивного со­ противления генератора на туннельном диоде

Уравнение (8.58), характеризующее частотные соотношения генератора на туннельном диоде с кварцевым резонатором в ин­ дуктивной ветви контура, примет вид

Это уравнение аналогично ур-ншо (8.48) для кварцевого генера­ тора на туннельном диоде с кварцевым резонатором в емкостной ветви контура, и поэтому расстройку генератора в этом случае можно определить из формул, аналогичных (8.49) и (8.50).

Выражение для управляющего сопротивления кварцевого гене­ ратора на туннельном диоде с кварцевым резонатором в индук­ тивной ветви контура находим из выражения (8.56)

Учитывая, что Х'с ~ — (У''кв + ХГ.+ Уум) , и обозначая !R = RL +

4-/?"къ + Ryv.. получаем

(8.64)

Импульсы тока туннельного диода (рис. 8.28) подобны импуль­ сам анодного тока в перенапряженном режиме. Для анализа фор­ мы тока целесообразно аппроксимировать вольтамперную харак­ теристику туннельного диода. Существует несколько способов ап-

160

проксимации вольтамперной характеристики туннельного диода. При анализе кварцевого генератора удобно пользоваться кусочнолинейной аппроксимацией из трех прямых линий (рис. 8.28).

Импульс тока туннельного диода имеет впадину в средней части с амплитудой /впmax и имеет два угла отсечки:

нижний угол отсечки 0Н

амплитуда напряжения на колебательном контуре.

Составляющие тока туннельного диода можно получить, ис­ пользуя формулы, выведенные для импульсов анодного тока в пе­ ренапряженном режиме [93, 143]:

п = 2, 3, 4...

Выразим значение тока первой гармоники с учетом величин

диоде выбираются [143] в пределах 0„да11О— 1115° и 0В~ЗО—35° из компромиссных условий получения высокой стабильности и устой­ чивости колебаний. Следует отметить, что генераторы на туннель­ ных диодах работают, как правило, вблизи режима последователь­ ного резонанса и с прецизионными кварцевыми резонаторами, име­ ющими малые разбросы и малые изменения величин эквивалентных сопротивлений в интервале температур. Изменение величины экви­ валентного сопротивления кварцевых резонаторов может привести к срыву колебаний и к резкому искажению импульса тока, что ухудшает стабильность частоты. Оценим влияние высших гармо­ нических составляющих тока генератора на туннельных диодах. Вначале рассмотрим кварцевый генератор на туннельном диоде с кварцевым резонатором в емкостной ветви контура.

Эквивалентная схема генератора показана на рис. 8.25, в ней

rs [l + ( Q KB 3 А е т ) 2]

где х'с\ —х'сЛ-х ^в+'^ун-

162

моннческих составляющих тока в генераторах на туннельных дио­ дах по сравнению с транзисторными кварцевыми генераторами.

Большой ток через потенциометр, с которого подается напря­ жение на туннельный диод, малый уровень выходного напряже­ ния, повышенные требования к кварцевым резонаторам затрудня­ ют их использование в кварцевых генераторах.

Туннельные диоды применяются в прецизионных термостати­ рованных кварцевых генераторах.

8.8.СХЕМЫ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Ранее были рассмотрены кварцевые генераторы на обычных (биполярных) транзисторах.

Такие транзисторы широко применяются в схемах кварцевых генераторов самого различного применения в диапазоне частот от сотен герц до сотен мегагерц. В настоящее время в радиоэлект­ ронной аппаратуре наряду с биполярными транзисторами приме­ няются полевые (униполярные) транзисторы. Эти транзисторы называют полевыми, так как током прибора управляют, изменяя электрическое поле.

Полевые транзисторы могут быть трех групп [76, 121].

К первой группе относятся транзисторы с управляющим р-п-

ния. Напряжение смещения на затворе должно быть отрицатель­ ным (режим обеднения канала). Условное обозначение транзи­ сторов с каналом p-типа отличается изменением стрелки на рис. 8.29. Соответственно изменяются и полярности питающих на­ пряжении.

Ко второй и третьей группам полевых транзисторов относятся транзисторы со структурой металл-диэлектрик (окисел—полупро­ водник, так называемые МДП транзисторы (иногда их называют МОП транзисторы). Эти транзисторы имеют изолированный за­ твор, отделенный от канала тонким слоем диэлектрика.

МДП транзисторы со встроенным каналом, изготовленные на полупроводниковой подложке технологическим путем, относятся ко второй группе (см. рис. 8.29). Транзисторы этой группы могут работать при любом напряжении на затворе; часто они работают

164

при нулевом напряжении. Напряжение на подложке МДП тран­ зисторов с каналом п-типа отрицательно или равно нулю. Часто подложку транзистора замыкают на исток.

МДП транзисторы с индуцированным каналом, образованным на поверхности подложки при определенном напряжении на за­ творе, относятся к третьей группе (рис. 8.29). Полярность напря­ жения на затворе должна быть одного знака с напряжением на стоке (режим обогащения), поэтому напряжение на затвор МДП транзистора с индуцированным каналом подается обычно через делитель.

Полевые транзисторы имеют очень большие входные и выход­ ные сопротивления, малую крутизну и высокую радиационную стойкость.

Рассмотрим подробнее полевые транзисторы с р-н-переходом. К этой группе полевых транзисторов относятся транзисторы типа КП 102. Полевые транзисторы с р-п-переходом имеют канал р-ти- па: напряжение на стоке (по отношению к истоку) должно быть отрицательной полярности. На затворе напряжение смещения все­ гда должно быть положительным или равным нулю. При отрица­ тельном напряжении появляется прямой ток через р-н-,переход и входное сопротивление резко уменьшается. Следует отметить, что металлический корпус имеет соединение с затвором транзистора. Примерные величины некоторых параметров левых транзисторов

Сток-затворные характеристики полевых транзисторов типа КП102И показаны на рис. 8.30. Следует отметить, что структура транзисторов с р-и-переходом такова, что если поменять местами сток и исток, то характеристики практически не изменятся. Тран­ зисторы второй и третьей групп такими свойствами не обладают.

165

Полевые транзисторы типа КП102 кремниевые и могут рабо­ тать при температуре окружающей среды до 120°С. При этом па­ раметры транзистора изменяются примерно в той же степени, что

удельная проводимость канала и, следовательно, ток стока. Одно­ временно при увеличении температуры уменьшается контактная разность потенциалов на р-я-переходе, что расширяет проводящую часть и увеличивает ток стока.

Эти два противоположных друг другу процесса при определен­ ном выборе рабочей точки могут взаимно компенсироваться, и ток стока будет практически постоянным при различных температу­ рах. Следует отметить, что при этом крутизна характеристики в интервале температур изменяется. Положение термостабильной точки обычно на 0,65 В меньше напряжения отсечки. Для создания необходимого смещения па затворе обычно используется автосме­ щение за счет падения напряжения на сопротивлении, включен­ ном в потоковую цепь.

Принципиальная схема генератора на полевом транзисторе приведена на рис. 8.31. Необходимое смещение на затворе обес­ печивает включенное в цепь истока сопротивление R3.

fa 150 Т, КПЮ2В fa 150

Для повышения стабильности режима целесообразно включать в истоковую цепь сопротивление большей величины, чем это тре­ буется для получения необходимого смещения. Для получения нужного напряжения смещения в этом случае на затвор подается

100

9 Г Л А В А

У П Р А В Л Е Н И Е Ч А С Т О Т О Й К В А Р Ц Е В Ы Х Г Е Н Е Р А Т О Р О В

9 .1 . Ч А С Т О Т Н Ы Е С О О ТН О Ш ЕН И Я

Существует много способов изменения частоты кварцевых ге­ нераторов, однако чаще всего используются реактивные сопротив­ ления, включенные в генераторную схему последовательно или параллельно с кварцевым резонатором. Данный способ позволяет создать экономичные, малогабаритные, надежные управляемые кварцевые генераторы с высокой механической прочностью и ус­ тойчивостью. Такие кварцевые генераторы широко применяются в современной радиоаппаратуре. Поэтому в дальнейшем будут опи­ саны такие управляемые кварцевые генераторы.

Рассмотрим основные частотные соотношения в управляемом транзисторном генераторе при последовательном включении уп­ равляющего элемента Ху. Как показано в § 6.2, при /^2,5fs мож­ но пользоваться упрощенными формулами для определения на­ чальной расстройки кварцевого генератора при условии вычисле­

Найдем изменение расстройки при включении в схему сопротив­ ления .Vy относительно начальной расстройки ео

168

Схематичное изображение начальной расстройки во, расстройки при включении управляющего элемента еу и изменение расстройки Ае приведены на рис. 9.1. По ф-ле (9.4) построены кривые изме-

Рис. 9.1. Схематичное изображение расстройки кварцевого генератора

нения расстройки в зависимости от величины приведенного управ­ ляющего сопротивления для различных начальных расстроек

(рис. 9.2).

Рис. 9.2. Зависимость изменения расстройки от величины сопротивления ху при различных начальных расстройках

Рассмотрим случай управления частоты кварцевого генерато­ ра при включенном параллельно кварцевому резонатору реактив­

А’у параллельно Хпюли, а при наличии управляющего элемента — параллельно последовательному соединению /ТГПолн + А!у.

169