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

тивлений .последовательной и параллельной ветвей эквивалентной электрической схемы кварцевого резонато-ра:

СКв + С0

Учитывая малость величины емкостного отношения т <^\, .мож­ но считать У 1 + т = 1 +0,5 т. Тогда

©п « о ) Вв(1 + 0.5 т).

Расстояние между параллельными и последовательными резо­ нансами Qp будет равно:

Будем пользоваться понятием приведенной расстройки частоты относительно частоты последовательного резонанса е, введенной в

[12, 21]:

единице. При частотах, находящихся между последовательным и параллельным резонансами, 0 < е < 1 . Сравнивая (2.45) с (2.48), видно, что е = х1;в, т. е. величина приведенной расстройки численно равна приведенному сопротивлению последовательной ветви экви­ валентной схемы кварцевого резонатора (ом. рис. 2.2). В дальней­ шем для сокращения будем называть приведенную расстройку е просто расстройкой. В некоторых работах рассматриваются другие расстройки.

Рассмотрим их связь с расстройкой е. ‘Приведенная расстройка

Обобщенная расстройка от частоты последовательного резонан-

С учетом выражения (2.48) выражения для приведенных сопро­ тивлений х'кв и г'кв примут вид:

е (1 — е) — г^в

(2.51)

о - е)2 + 4

3.1

-нанса, лри .этом можно считать е2<Се и е3<Се, тогда ур-ние (2.57) примет вид е 4- г1 — 2 ел2 4 - г4 = 0 .

Откуда МОЖ1НО найти значение ет :

При гКв<С1 ет = —г2кв. Найдем значение расстройки ер вблизи па­ раллельного резонанса. В этом случае ер» 1 и (1—е)3<С(1—е). Тогда ур-ние (2.57) примет вид

гЦ. 0 — е) + С = °>

откуда можно легко найти значение ер:

Найдем теперь значения расстроек, при которых х'кв= г'кп. Из выражений (2.51) и (2.52) можно получить следующее выражение

При 1 получаем:

для >малых расстроек (вблизи последовательного резо!нанса)

для больших расстроек (вблизи параллельного резонанса)

е2 = е а 1 = 1 (гкв + г2в). (2.62)

Следует отметить, что вследствие того что г2вв<^гкв, расстройка e,-i = /"кв, a eai ^ e ni= 1—/вв (табл. 2.1).

ные расстройки частотыОценим отличие частот со™ и со от частоты последовательного

резонанса и частот соа и шр от частоты параллельного резонанса для кварцевого резонатора с параметрами т = 4-10~3 и гкв= 0,01:

Лсо/сокв - 0,5 т ев = 0,5т ег = 0,5 т(1 — еа) = 0,5т (1 — ер) = 2 - 10-7,

т. е. при малых величинах гКв характерные частоты близки часто­ там последовательного и параллельного резонансов.

Важный параметр кварцевого резонатора, влияющий на ста­ бильность частоты генератора, его добротность. Как показано .во введении, добротность определяет фиксирующую способность схе­ мы, которая характеризует крутизну фазо-частотной характеристи­ ки кварцевого генератора. Добротность кварцевого резонатора вблизи последовательного резонанса

Добротность 'Кварцевого резонатора определяется величинами эквивалентных параметров кварцевых резонаторов.

Эквивалентные .параметры кварцевого резонатора L„B, Скш i?Kn и С0 являются основными параметрами, которые характеризуют эквивалентный кварцевому 'резонатору электрический контур. Од­ нако точность измерения эквивалентных 'параметров низка для

определения частоты и удобнее попользовать в качестве основных четыре следующих параметра кварцевых резонаторов:

1) частоту последовательного резонанса /Кв(юцВ); 2) сопротивление статической емкости Лсо= 1/'2я/квС0;

3)емкостное отношение ш = Скп/Со;

4)приведенное сопротивление rKB = RKB/\А'Со| •

Эквивалентные параметры могут быть найдены но следующим соотношениям:

добротность QKв—1 /т гкв, статическая емкость С0= 1/2я/Кв|^со|;

2

Г Л А В А

ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ

ИМЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЙ

3.1.РАБОЧАЯ ЧАСТОТА И ЕЕ ОТКЛОНЕНИЕ ОТ НОМИНАЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ

Кварцевый .резонатор характеризуется частотами последова­ тельного и параллельного резонансов. Однако .кварцевый резонатор возбуждается в схеме генератора на частотах, отличных от частот последовательного и параллельного резонансов кварцевого резона­ тора. Частоту, на которой возбуждается кварцевый резонатор при включении его в схему генератора, будем называть рабочей часто­ той кварцевого резонатора. Кварцевые резонаторы настраиваются на номинальную частоту неточно и поэтому возбуждаются на ра­ бочих частотах, отличных от номинальной частоты. Максимально допустимое отклонение рабочей частоты от номинальной, вызван­ ное неточностью настройки, задается в технических условиях и оговаривается нормами ГОСТ [80, 81]. В зависимости от требований к кварцевым резонаторам, диапазона частот и интервала темпера­ тур максимально допустимое отклонение рабочей частоты кварце­ вых резонаторов составляет от ±5 -10 0 до ±300-10~в.

Кварцевые резонаторы настраиваются при температуре этало­ нирования, которая выбирается для кварцевых резонаторов, рабо­ тающих в широких температурных интервалах, 20°С, а для термо­ статированных кварцевых резонаторов температура эталонирования выбирается равной рабочей температуре термоетатирующего уст­ ройства.

Следует отметить, что на рабочую частоту кварцевого резона­ тора существенно влияют схема генератора и ее элементы. В зави­ симости от вида схемы и ее элементов рабочая частота кварцевого резонатора может быть ниже частоты последовательного резонан­ са, близка к ней или выше ее.

Существует большое число схем кварцевых генераторов, в ко­ торых кварцевый резонатор работает на частотах, больших часто­ ты последовательного резонанса. Рабочие частоты кварцевых резо­ наторов в таких схемах зависят от емкостей схемы, фазы крутизны транзистора и других факторовКварцевые генераторы, выполнен­ ные по различным схемам последовательного резонанса, могут ис­ пользовать одни и те же кварцевые резонаторы, -независимо от

36

того, в какой из схем последовательного резонанса они настраива­ лись. Это позволило создать типовые генераторы с режимом рабо­ ты кварцевого резонатора вблизи последовательного резонанса, которые служат для настройки и контроля частоты резонаторов. При создании генераторов с режимом работы кварцевого резонато­ ра, отличным от режима последовательного резонанса, кварцевые резонаторы должны настраиваться в эквивалентах генератора. Эквиваленты генератора будут подробно рассмотрены в § 4.4. При использовании кварцевых резонаторов на механических .гармони­ ках они должны .настраиваться на той механической гармонике, на которой они будут работать, так как частота кварцевых резона­ торов, работающих на п-и механической гармонике, не равна rufi.

3.2.УСТОЙЧИВОСТЬ К МЕХАНИЧЕСКИМ

ИКЛИМАТИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

Одной из важнейших характеристик кварцевых резонаторов является малое

ствия механических и климатических факторов особенно важна в стабильных кварцевых генераторах, в которых применяются: компенсация неточности на­ стройки кварцевых резонаторов по частоте, термостатирование и термокомпен­ сация кварцевых резонаторов. Изменение частоты герметизированных кварцевых резонаторов в процессе механических испытаний и после них оговорено ГОСТ и не превышает по отношению к частоте резонаторов измеренной до начала испытаний:

Изменения частоты вакуумных кварцевых резонаторов в процессе и после механических испытаний ГОСТ [81] не лимитируются. Нормы на изменение ча­ стоты кварцевых резонаторов в процессе механических воздействий и после них должны указываться в технических условиях на конкретные виды резона­ торов. Испытания кварцевых резонаторов диапазона частот 5— 100 МГц дали изменения частоты менее ± 1•10_0 от значений частоты, измеренной до начала испытаний.

Кварцевые резонаторы должны иметь малые изменения частоты при испы­ таниях их на циклическое изменение крайних рабочих температур. Явление нецнклнчностп — важнейший дестабилизирующий фактор, препятствующий даль­ нейшему повышению стабильности частоты кварцевых генераторов.

Следует отметить, что кварцевые резонаторы, предназначенные для работы в быстроразогревающпхся тсрмостатирующнх устройствах, испытывают при вклю­ чении термоудар вследствие быстрого изменения температуры, что может при­ водить к дополнительным изменениям частоты.

Причинами, обусловливающими пецикличность кварцевых резонаторов, могут быть изменения структуры электродов кварцевого элемента, недостаточная очист­ ка поверхности кварцевого элемента перед металлизацией, создание механи­ ческих напряжений в кварцевой пластине и в элементах крепления н другие факторы. Экспериментальные исследования показывают худшие пецикличность и устойчивость к термоударам у герметизированных кварцевых резонаторов. Изменение частоты герметизированных кварцевых резонаторов после цикличе­ ского воздействия температуры согласно ГОСТ [S0] не должно превышать

± 6 - ю - ° .

3 7

Вакуумные кварцевые резонаторы более устойчивы к влиянию нецнкличпостн температуры. Для уменьшения нециклнчности кварцевых резонаторов сле­ дует применять термотрепнровку кварцевых резонаторов, подвергать их воздей­ ствию технологических температурных циклов (порядка 10—20), применять такое крепление кварцевых элементов, чтобы элементы крепления не оказывали воз­ действия па частоту кварцевого резонатора. Вакуумные резонаторы па частоты 5— 100 МГц, прошедшие тренировку и технологические термоудары, обеспечи­ вают изменение частоты относительно частоты измеренной до начала испытании порядка 1 ■10—6.

3.3.СТАРЕНИЕ

Одним из основных требований к кварцевым резонаторам является малое изменение их частоты во времени — малое старение.

Под старением кварцевого резонатора понимают необратимый системати­ ческий уход частоты кварцевых резонаторов во времени, обусловленный изме­ нением физических свойств кварцевой пластины, электродов и элементов креп­ лении. Старение происходит как при работе кварцевых резонаторов в генера­ торе, так и при хранении их. Причинами старения являются поверхностные, структурные и контактные изменения, изменения, связанные с наличием электро­ дов в виде металлизированных слоев.

Поверхностные изменения в кварцевой пластине обусловливаются механичес­ кими напряжениями, возникающими при его обработке: распиловке и шлифовке. Механические напряжения могут образовывать мпкротрещппы, проводящие к разрушению верхних слоев поверхности пластины.

К. контактным изменениям относятся: изменение взаимодействия кварцевой пластины с кварцедержателем, изменение зазора в кварцевых резонаторах с пеметаллизированными пластинами, изменение давления в вакуумных кварцевых резонаторах.

У кварцевых резонаторов с пленочными электродами временная стабиль­ ность зависит от окисления металлизированных слоев, образующих электроды, и изменения их физических свойств.

Укажем возможности уменьшения старения кварцевых резонаторов:

1.Обработка кварцевых пластин мелкими абразивами и полировка поверх­ ности пластин.

2.Травление пластин.

3.Тщательная очистка кварцевых пластин перед металлизацией.

4. Применение в металлизированных кварцевых пластинах нысокостабильных пленок. Применение золотых электродов.

5. Применение оптимальных способов крепления кварцевых пластин с тем. чтобы максимально ослабить влияние кварцедержателя на частоту кварцевого

резонаторе.

Старение герметизированных кварцевых резонаторов в металлических кор­

работы. Вакуумные резонаторы массового применения в стеклянных баллонах имеют:

при частотах выше 800 кГц за первый год хранения, или за 2500 ч работы,

1 0 -3 0 - 1 0 -“.

Значительно меньше старение специальных (прецизионных) кварцевых ре­ зонаторов. Их старение составляет 0,5—3-Ю-7 за первый год и 2— 10-Ю-7 за

3 8

II лет. Такое малое старение обеспечивается на частотах 2,5; 5 и 10 МГц с ис­ пользованием механических гармоник кварцевых резонаторов.

Для компенсации старения целесообразно периодически проверять частоту кварцевых резонаторов и генераторов и корректировать уход частоты за счет старения. В зависимости от назначения аппаратуры, условии эксплуатаций и требуемой стабильности периодичность коррекции составляет 1; 3; 6 или 12 ме­ сяцев.

3.4.АКТИВНОСТЬ

Одним из параметров кварцевых резонаторов является его активность — условный термин для качественного сравнения различных кварцевых резонаторов колеблющихся в одинаковых условиях (167]. Практически активность кварцевого резонатора определяется величиной переменного напряжения, возникающего в генераторной схеме при включении в нее данного кварцевого резонатора. Чаще всего в качестве критерия активности задается выходное напряжение генера­ тора. Активность кварцевого резонатора является важным параметром, опреде­ ляющим уровень напряжения пли мощности на выходе генераторной схемы. При малой активности кварцевых резонаторов в генераторе они могут не возбудить­ ся. Особенно важна активность резонатора в мобильной, носимой и переносной радиоаппаратуре, в которой требуется, кроме обеспечения заданной стабильно­ сти частоты, получить определенный уровень выходного напряжения, при кото­ ром обеспечиваются выходные параметры радиопередающего устройства.

Величина переменного напряжения в генераторной схеме, характеризующая часто активность кварцевого резонатора, практически в большой степени зави­ сит от параметров самой схемы и не позволяет сравнивать активность кварце­ вых резонаторов, работающих в различных схемах.

Следует найти такой параметр или параметры кварцевого резонатора, ко­ торые могут характеризовать его активность. В {216] показано, что для оценки активности кварцевого резонатора нужно знать величины эквивалентного со­ противлении резонатора н его статической емкости.

Удобно найти одни параметр, который характеризует активность резонато­ ра. В качестве такого критерия наиболее целесообразно использовать часть управляющего сопротивления генератора, зависящую от параметров кварцевого резонатора.

Найдем параметр кварцевого резонатора, характеризующий активность ем­ костной трех точечной схемы. Для простоты не будем учитывать фазы крутизны транзистора и будем считать, что потерями обладает только кварцевый резона­

Из анализа этого выражения видно, что для кварцевых резонаторов одной час­ тоты за критерий активности может быть принято

(3.3)

*«в(1 - Со/Сг)"-

3 9