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

5Г Л А В А

КЛАССИФИКАЦИЯ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

5.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Внастоящее время создано большое количество кварцевых ге­ нераторов, которые различаются по назначению, условиям экс­ плуатации, по величине максимальной нестабильности частоты, га­ баритам, мощности потребления, времени готовности и другим па­ раметрам. Соответственно кварцевые генераторы могут быть клас­ сифицированы по различным критериям.

Кварцевые генераторы могут быть разделены на группы по до­

или 10 МГц, так как именно для этих частот разработаны преци­ зионные кварцевые резонаторы.

Кварцевые генераторы подразделяются на несколько групп в зависимости от способов термостатирования или термокомпенса­ ции: 1 ) без термостатирования или термокомпенсации; 2 ) термо­ статированные; 3) термокомпенсированные.

По количеству кварцевых резонаторов, которые возбуждаются поочередно в кварцевом генераторе, они могут быть: 1 ) одиокварцевые; 2) многокварцевые. Применяется механическая или элек­ тронная (при помощи диодов) коммутация резонаторов.

Кварцевые генераторы подразделяются на группы в зависимо­ сти от способов управления их частотой:

1. Неуправляемые по частоте.

2 . Допускающие устранение неточности настройки кварцевых резонаторов и их старение.

3.Кварцевые частотномодулированные генераторы.

4.Кварцевые частотноманипулированные генераторы.

3 ) С использованием одного кварцевого резонатора для стаби­ лизации ряда близко расположенных частот.

6 . С управлением частоты в определенных пределах.

81

В зависимости от назначения и условий эксплуатации генера­ торы подразделяются на работающие:^) в стационарных радио­ станциях; 2 ) в мобильных радиостанциях; 3) в носимых радиостан­ циях; 4) в переносных радиостанциях.

Кварцевые генераторы характеризуются большим числом пара­ метров. Одни из них — общие для большого количества генерато­ ров, другие — характеризуют специальные генераторы.

Рассмотрим сравнительно распространенные параметры квар­ цевых генераторов:

1. Номинальная частота — частота, установленная в техниче­ ской документации на генератор.

2 . Рабочая частота — частота генерации кварцевого генера­ тора.

3.Отклонение частоты генератора от номинальной — отклоне­ ние рабочей частоты кварцевого генератора от номинальной ча­ стоты.

4.Суммарная нестабильность частоты — общее изменение ча­ стоты генератора из-за воздействия дестабилизирующих факторов.

5.Суммарное отклонение частоты генератора от номинальной, равное сумме отклонения частоты генератора при нормальных ус­ ловиях и суммарной нестабильности частоты.

6. Временная нестабильность частоты (старение) — нестабиль­

ность частоты генератора за определенное время.

7. Общее отклонение частоты генератора от номинальной с учетом временной нестабильности генератора за определенное время.

8 . Пределы перестройки частоты корректором.

9.Периодичность подстройки частоты.

10.Номинальное напряжение питания — напряжение, установ­ ленное в технической документации.

11.Допуск на напряжение питания и его нестабильность — разброс напряжения питания по отношению к номинальному зна­ чению и нестабильность напряжения питания под действием де­ стабилизирующих факторов.

12.Нагрузка генератора ■— величина активных и реактивных сопротивлений, на которые работает генератор.

13.Выходное напряжение генератора — величина напряжения на нагрузке генератора.

14.Габариты генератора.

15.Интервал рабочих температур — интервал температур, в пределах которого генератор обеспечивает заданную стабильность частоты.

16.Интервал предельных температур — интервал температур, после воздействия которых генератор работоспособен при рабо­ чих температурах.

17.Условия эксплуатации — условия, при которых генератор должен обеспечивать заданные параметры.

18.Мощность потребления генератора. При применении термостатируюгцих устройств:

82

а) в установившемся режиме в нормальных условиях и при крайних рабочих температурах; б) в режимГе разогрева термостатирующего устройства.

19. Время готовности — время, через которое генератор обе­ спечивает заданное отклонение частоты от номинальной Частоты или от установившегося значения частоты.

тельно характеризуется: а) девиацией частоты; б) коэффициентом нелинейных искажений; в) величиной модулирующего напряжения для получения заданной девиации частоты; г) диапазоном модули­ рующих частот.

5.2.КЛАССИФИКАЦИЯ СХЕМ

Существует большое количество разнообразных схем кварце­ вых генераторов.

Удобно классифицировать кварцевые генераторы по месту включения кварцевых резонаторов в схему генератора. По этому признаку кварцевые генераторы могут быть разделены на несколь­ ко групп.

Рассмотрим сначала одиотранзисторные кварцевые генераторы (рис. 5.1). К первой группе схем относятся схемы кварцевых ге­ нераторов, в которых кварцевый резонатор вместе с управляющим

(подстроечным) элементом включен вместо одного из сопротивле­ ний схемы (см. рис. 5.1). Следует отметить, что подстроечных (уп­ равляющих) элементов может и не быть. Если кварцевый резона­ тор вместе с управляющим элементом или без него включен вме­ сто сопротивления Z3 между коллектором и базой транзистора, схема кварцевого генератора называется емкостной трехточечной схемой (рис. 5.2).

83

Если кварцевый резонатор с управляющим элементом или без него включен вместо сопротивления Z2 между базой и эмиттером, транзистора (рис. 5.3) или вместо сопротивления Z4 между коллек­ тором и эмиттером транзистора (рис. 5.4), схемы кварцевых гене­ раторов называются индуктивными трехточечными схемами. При

отсутствии управляющего элемента или при емкостном управляю­ щем элементе кварцевый резонатор в этих схемах всегда возбуж­ дается в интервале частот между последовательным и параллель­ ным резонансами кварцевого резонатора. При индуктивном под­ строечном элементе кварцевый резонатор может возбуждаться как в интервале частот между последовательным и параллельным ре­ зонансами кварцевого резонатора, так и вне этого интервала (ни­ же последовательного резонанса). При определенной величине ин­ дуктивности, включенной последовательно с кварцевым резонато­ ром, эта схема может работать вблизи последовательного резо­ нанса кварцевого резонатора. Иногда этот вариант схемы кварце­ вого генератора называют схемой с кварцевым резонатором в кон­ туре [157]. Трехточечные схемы кварцевых генераторов будут рас­ смотрены в гл. 6 .

Ко второй группе схем генераторов относятся схемы кварце­ вых генераторов, в которых кварцевый резонатор включен в цепь, соединяющую базу, эмиттер и коллектор транзистора с колеба­ тельным контуром, образованным сопротивлениями Zlf Z2 и Z3. Та­ кие схемы кварцевых генераторов называются схемой генератора с кварцевым резонатором в цепи обратной связи. Иногда эти схе­ мы называются фильтровыми [157].

В схемах с кварцевым резонатором в цепи обратной связи ко­ лебательный контур, состоящий из сопротивлений Zj, Z2 и Z3, на­ строен на частоту, близкую к частоте кварцевого резонатора, по­ этому, как правило, такие схемы возбуждаются вблизи частоты минимального полного сопротивления кварцевого резонатора f, т. е. вблизи частоты последовательного резонанса кварцевого ре­ зонатора.

84

Рассмотрим схему рис. 5.5а. Эта схема может быть выполнена по емкостной (рис. 5.5б) или индуктивной- (рис. 5.5в) трехточеч­ ной схеме. Также интересна схема рис. 5.6.

Рис. 5.6. Схемы генератора с кварцевым резонатором в цепи обратней связи

вцепи эмиттера транзистора:

а) общая; б) емкостная трехточечиая; в) индуктивная трехточечная

Третьей схемой генератора с кварцевым резонатором в цепи обратной связи является схема с кварцевым резонатором в цепи коллектора (рис. 5.7).

Схемы генераторов с кварцевым резонатором в цепи обратной связи могут быть двух- и трехтраизисторными. В этих схемах квар­ цевый резонатор стоит в цепи связи каскадов. Подробнее схемы генераторов с кварцевым резонатором в цепи обратной связи бу­ дут рассмотрены в гл. 7.

К третьей группе генераторов относятся специальные схемы, в которых, например, используется ударное возбуждение кварцевых резонаторов или сервоуправление.

Схемы кварцевых генераторов могут быть с возбуждением: 1 ) по основной частоте; 2 ) на механических гармониках.

Такие схемы широко используются при получении высоких ча­ стот (выше 20—30 МГц) без применения умножителей.

По частотам возбуждения кварцевых резонаторов кварцевые ге­ нераторы подразделяются на схемы:

85

1 ) параллельного резонанса1);

2 ) последовательного резонанса2).

Кварцевые генераторы могут подразделяться по.способам уст­ ранения влияния статической емкости кварцевого резонатора на схемы:

1 ) уменьшающие влияние статической емкости кварцевых ре­ зонаторов:

2 ) с применением компенсации влияния статической емкости кварцевых резонаторов;

3 ) с применением нейтрализации влияния статической емкости кварцевых резонаторов.

Схемы с уменьшением влияния статической емкости кварцевых резонаторов наиболее широко используются в кварцевых генера­ торах па механических гармониках кварцевого резонатора на ча­ стотах выше 50—70 МГц.

Рассмотрим основные отличительные черты схем кварцевых ге­ нераторов:

1.Вид схемы генератора.

2.Наличие корректора частоты.

3.Количество транзисторов.

4.Диапазон частот, в котором может работать схема генера­ тора па постоянных элементах при смене кварцевого резонатора.

5.Номинальная расстройка от частоты последовательного ре­ зонанса.

При работе кварцевого резонатора между частотами последова­ тельного п параллельного резонансов следует оговаривать величи­ ну эквивалентной емкости генераторной схемы.

') В таких схемах кварцевый резонатор работает на частотах, близких к ча­ стоте параллельного резонанса резонатора с учетом влияния элементов схемы генератора.

2) В таких схемах кварцевый резонатор работает вблизи к частоте своего последовательного резонанса.

86

6 Г Л А В А

ТРЕХТОЧЕЧНЫЕ СХЕМЫ ТРАНЗИСТОРНЫХ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

6.1.ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ

ВСХЕМАХ ГЕНЕРАТОРОВ

В настоящее время широко применяются транзисторные схемы кварцевых генераторов. Транзисторы имеют малые габариты и массу, малую мощность потребления, высокую надежность, в ы с о ­ к у ю механическую устойчивость, малое время готовности. Эти ка­ чества и обусловили распространение транзисторов в схемах квар­ цевых генераторов. Использование транзисторов в генераторных схемах имеет особенности по сравнению с электронно-вакуумными лампами *).

Рассмотрим эти особенности и параметры транзисторов.

1. Крутизна характеристики коллекторного тока значительно превышает крутизну характеристики анодного тока электронновакуумных ламп. Крутизна современных транзисторов на низкой

при которой модуль крутизны уменьшается в >^2 "по сравнению с крутизной на низкой частоте.

Транзистор имеет большую инерционность, т. е. запаздывание тока коллектора по отношению к напряжению на базе, вследст­ вие чего крутизна становится комплексной величиной;

2. Характеристики транзистора являются правыми. При рас­ смотрении транзисторов целесообразно заменить реальные стати­ ческие характеристики транзистора аппроксимированными. Как показано в [161, 164, 6 8 ], можно использовать линейно-ломанную

') В этом параграфе будут рассмотрены параметры биполярных транзисто­ ров. Параметры униполярных (полевых) транзисторов будут кратко рассмотре­ ны в § 8.8.

88

аппроксимацию характеристик транзистора подобно принятой для: аппроксимации характеристик электронно-бакуумных ламп.

Рассмотрим рис. 6.1. С достаточной для практических расчетов точностью можно считать, что величина сдвига характеристики коллекторного тока равна сдвигу характеристики базового тока..

генераторах используется недонапряженный режим, так как при перенапряженном режиме стабильность частоты транзисторного генератора значительно падает.

При повышении температуры характеристики коллекторного тока смещаются влево, а крутизна характеристики коллекторного тока уменьшается, причем зависимости этих параметров от темпе­ ратуры близки к линейным.

3. Транзистор имеет большие входные и выходные проводимо сти, т. е. малые входные активное и реактивное сопротивления и малые выходные активное и реактивное сопротивления.

Проходные проводимости транзисторов очень малы, и при ана­ лизе работы транзисторного генератора их можно не учитывать.

Рассмотрим влияние входных и выходных сопротивлений на примере емкостной трехточечной схемы. В этой схеме кварцевый резонатор включен между базой и коллектором транзистора. Очень часто последовательно с кварцевым резонатором включается уп­ равляющий элемент с начальным сопротивлением Лун, устраняю­ щим неточность настройки по частоте кварцевого резонатора.

Схема генератора с учетом входных и выходных сопротивле­

RyH — активное сопротивление управляющего элемента; Л ";в, R"KB — реактивное и активное сопротивления кварцевого резона­ тора с учетом влияния параллельного сопротивления:

89