Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекции по курсу УГиФС / 5_Кварцевые генераторы.ppt
Скачиваний:
101
Добавлен:
12.03.2015
Размер:
1.58 Mб
Скачать

Кварцевые генераторы

В современных РПУ КАГ находят широкое применение, особенно, когда к стабильности частоты генерируемых колебаний предъявляются жёсткие требования.

Применение КвР в АГ позволяет легко обеспечить относительную нестабильность частоты автоколебаний ±1·10-5, а при термостатировании нестабильность частоты может быть доведена до величины ±1·10-7 и даже выше ±1·10-9.

КАГ классифицируют по следующим признакам: По частоте возбуждения КвР

схемы последовательного резонанса - фильтровые

схемы параллельного резонанса - осцилляторные По характеру возбуждения

на основной частоте fкв

• на гармониках основной частоты nfкв, n =3,5, … По диапазону частот

НЧ до 1 мГц

СЧ до 30 мГц

ВЧ более 30 мГц

По месту включения КвР

• Б-К (С-А) - емкостная трехточка

Б-Э, Э-К (С-К, К-А ) – индуктивная трехточка По активному элементу

Ламповые

• транзисторные

1

По степени стабильности частоты

• КАГ общего применения f/f= 10-4…- 10-5

• КАГ опорные (термостатированные t= 0,5 , f до 5 мГц) f/f= 10-6…- 10-7

• КАГ эталонные f/f= 10-8…- 10-9 , Р<30 мВт (специальные РПУ и измерительная аппаратура).

Осцилляторные КАГ

В них КвР используется как эквивалентная индуктивность.

 

C

VT

C

 

 

VT

K

 

VT1

 

C1

L

K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

C2

 

 

 

 

 

 

а)

б)

 

 

 

 

 

Индуктивные трехточки.

 

 

Емкостная трехточка.

На практике чаще всего используется емкостная трехточечная схема. КвР в ней – индуктивность параллельного резонансного контура. Преимущество: простота - нет дополнительной L, легкая настройка.

Для емкостной трехточечной схемы с КвР условию баланса фаз S+ + Z = 0, (при условии, что S= = 0 ) соответствует Z =0 , т.е.

xC1( Г )+хС2( Г )+хкв( Г )=0

2

x,

-(xC1+ xC2)

 

Кривая -(xCl + хС2) пересекается с кривой хое в двух

 

r

 

 

 

точках ( Г и Г' ).

На частоте

Г

активное

 

 

-(xC1+ xC2)*

 

rое

 

 

 

сопротивление КвР rое ( Г ) значительно меньше, чем

 

 

 

 

 

на частоте rое ( Г' ), и поэтому условие баланса

 

 

 

 

амплитуд будет выполняться именно на этой частоте.

xое

Г* Г

Г'

 

Частота Г находится из решения уравнения

 

 

-x

 

 

 

 

xC1( Г )+хС2( Г )+хкв( Г )=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω1[ 1+0.5CКВ /(C0 +С1С2 / (С1+С2) )]

 

 

 

 

 

 

Г

 

 

 

 

 

 

 

n

Для работы на механических гармониках параллельно

 

 

 

 

С1 подключается L1. Контур L1С1 настраивается

на

C1

L1

VT1

частоту ниже рабочей частоты КАГ Г ( Г )

 

 

 

 

 

 

 

 

C2

 

fконт

1

fГ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L1C1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

а)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

но выше, чем более низкая гармоника КвР. Поэтому на

К

 

 

 

 

 

 

 

рабочей частоте fр контур L1С1 эквивалентен емкости,

xC1L1<0 при К< гn

 

и схема – емкостная трехточка. А на частотах низких

 

xC1L1>0 при К> г(n-2)

гармоник КвР,

включая и

основную частоту,

контур

L1С1 эквивалентен индуктивности - схема не

n=3, 5, 7, …

 

 

 

 

 

 

 

возбуждается из-за небаланса фаз.

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C1

L1

VT1

 

 

 

 

 

C2

X

L

LCконт

 

КГ1

КГ3

C

4

Полная схема КАГ на основной частоте с цепями питания приведена на рис. б) R>>1/ C1.

 

 

 

 

 

 

Сопротивление в цепи коллектора

 

КвР

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R >> 1/ ГC1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R >> 1/ ГC1, можно заменить контуром LКCК ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СЭ

С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

настроенным на частоту К< Г (тогда xК C).

 

 

 

 

 

 

 

RЭ

 

 

 

 

 

БЛ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Такая замена повысит PВЫХ, но снизит

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К< Г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

стабильность Г .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+Е

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

 

Емкостная трехточечная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

схема КАГ (Пирса)

 

 

 

 

 

 

С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В схеме индуктивной трехточки контур образован

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

последовательно соединенными L, C и КвР.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Частота автоколебаний заключена между

 

 

 

 

КвР

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RЭ

 

 

 

 

 

СЭ

 

 

 

 

К > Г

частотами ω1 и ω0 (на ω0 индуктивное сопротивление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СБЛ

xК равно активному rК).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Индуктивность L можно заменить контуром LКCК,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

 

R

 

 

+Е

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К

 

настроенным на частоту К > Г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема индуктивной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

трехточки

 

 

 

 

 

 

 

 

(тогда xК L). Контур даёт возможность получить

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

автоколебания на желательной гармонике КвР.

5

Если учесть, что КвР эквивалентен параллельному колебательному контуру, то рассмотренные схемы по существу представляют схемы двухконтурных АГ. Следовательно, для этих схем будут справедливы все положения теории двухконтурных АГ соответственно с общим эмиттером - ОЭ (с общим катодом (ОК)) и с общим коллектором - ОК (с общим анодом (ОА)). Некоторое отличие состоит только в том, что контур, эквивалентный КвР, не полностью подключается к лампе или транзистору и поэтому обладает индуктивным сопротивлением в ограниченной области частот, в которой и возможны автоколебания.

R

Генератор Пирса на КМОП инверторе в качестве усилителя

В качестве усилителя часто применяются инверторы на КМОП транзисторах. Такая схема содержит небольшое количество комплектующих и минимально демпфирует КвР из за высокого входного сопротивления. Резистором R устанавливается рабочая точка

на уровне Uз=Ua≈0,5UП. Резистор R может быть очень высокоомным, так как входной

ток транзисторов ничтожен.

6

Фильтровые КАГ

Во второй группе схем кварцевый резонатор выступает как последовательный резонансный контур, включенный в цепь положительной обратной связи. Z1… Z3 здесь - обычный LC-контур.

Эквивалентные схемы КГ с резонатором в цепи ОС.

Принцип работы основан на том, что значение модуля сопротивления КвР |Zое| на частоте последовательного резонанса 1 минимально, и резко возрастает при отклонении частоты от 1. Поэтому КвР, включенный в цепь ПОС трехточечной схемы АГ, на частоте Г близкой к 1, замыкает цепь ПОС и АГ самовозбуждается.

На частотах, отличных от 1, сопротивление |Zое| КвР велико, коэффициент ОС мал, и условия самовозбуждения АГ не выполняются.

Уравнение баланса фаз для данной схемы: S+ + Z = 0, 7 где - фазовая характеристика КвР.

VT KвР Z3

Z1

 

 

 

 

 

 

Г'

 

 

 

 

 

R

 

 

 

Z2

 

Г

Автогенератор с кварцем в цепи обратной связи.

Фазовая характеристика КвР вблизи частоты 1 очень крутая. Поэтому при изменении параметров колебательного контура (его эквивалентного сопротивления ZЭ и Z на частоте 1) баланс фаз произойдет на частоте Г' , близкой к частоте 1 уже при новом значении =- Z (инерционностью АЭ пренебрегаем S = 0).

Схемы с КвР в цепи ОС менее критичны к значению динамического сопротивления rКВ: можно применять КвР с большим rКВ, по сравнению с

осцилляторными трёхточечными схемами.

При той же мощности, рассеиваемой в КвР, эти схемы позволяют получить больший уровень напряжений на нагрузке КАГ, а на стабильность частоты меньше

влияет нестабильность питающих напряжений, чем у трёхточечных схем.

8

Возможны варианты фильтровых КАГ на основе ёмкостной трёхточки на транзисторах (приведены эквивалентные аналоги схем по ВЧ).

 

 

 

 

КвР

 

 

С1

 

 

 

 

 

L

С

L

 

 

 

 

 

 

 

 

С1

 

 

С1

 

 

 

L

 

L

С1

2

 

С2

rКВ<<RШ (3-5)/ ( ПАРС0)

 

 

 

 

С2

КвР

С2

СР

RШ

 

 

 

 

 

 

 

КвР

 

 

 

 

 

а

 

 

 

 

 

 

 

 

б

в

КвР

 

г

 

схема Батлера

 

 

 

 

 

 

а) с кварцем между эмиттером и контуром (схема Батлера); б) с кварцем между базой и контуром (схема с кварцем в цепи ОС).; в) с кварцем между коллектором и контуром; г) с кварцем в контуре.

Любая из представленных схем генерирует на частоте, близкой к частоте 1

последовательного резонанса используемой гармоники КвР.

Контур L, С1, С2 настраивают (при закороченном КвР) на частоту последователь- ного резонанса нужной гармоники n 1 КвР, чем исключается опасность самовоз- буждения КАГ на основной частоте 1 и низших гармониках.

В схеме г) с кварцем в контуре rКВ<<RШ ПАР С0), ПАР – частота контура,

образованного L, С1, С2 и С0, (С0 –статическая емкость КвР).

9

 

Схемы генераторов Хартли (а) и Колпитца (б) с кварцевым резонатором. 10

CН

Компенсация статической емкости С0 КвР.

Мостовые схемы КАГ

В фильтровых схемах возможны паразитные автоколебания (обычно на f > fГ ) и без проявления КвР явления пьезоэффекта, за счет ПОС через ёмкость С0 КвР. Для их исключения используют мостовые схемы КАГ. При СН = С0 ток через конденсатор нейтрализации СН равен и противоположен по знаку току через С0. При частотах Г= 1 сопротивление |Zое| КвР близко к нулю, и цепь ПОС замкнута, колебания возникают на частоте около 1.

K

*

2 2

1

фактор качества с ростом n падает

 

QK

2

C r

 

 

2

1

 

 

 

 

 

 

1

 

0 K

 

L

Кn

L

;

С

Кn

C

К

/ n2

;

r nr .

 

К

 

 

 

 

 

Кn К

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C4

 

 

CВЫХ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полная мостовая схема на основе

 

 

 

 

L

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ёмкостной трёхточки приведена на рис. Мост

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СНЕЙТР

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КвР

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С1, С2, СНЕЙТР, КвР должен быть уравновешен

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C1

 

 

 

 

СР

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RЭ

 

 

 

 

 

 

СЭ

(также С3= С4), что достигается при С1 = С2,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СНЕЙТР = С0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CБЛ

 

 

 

 

 

 

 

 

CДОП

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент ОС будет положительным на

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

частоте последовательного резонанса ω1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+EК

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мостовая схемы КАГ на

 

 

 

 

 

кварцевой пластины, при этом цепь обратной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

связи замыкается через КвР. Частота автоко-

 

 

 

 

 

 

основе ёмкостной трёхточки

 

 

 

 

 

лебаний вблизи ω1 на рабочей гармонике. Если поменять местами КвР и СНЕЙТР, коэффициент ОС будет положителен на

частотах параллельного резонанса ω2 КвР. При этом цепь ОС замыкается через ёмкость СНЕЙТР, а ветвь КвР практически разрывается. Частота автоколебаний будет вблизи ω2 на соответствующей гармонике.

Для симметрирования схем к контуру присоединяется дополнительный конденсатор ёмкостью СДОП, равной СВЫХ транзистора с учётом ёмкости монтажа.

Питание цепи коллектора осуществляется через небольшое антипаразитное сопротивление r (r~ 50 Ом), которое подключается к точке контура, имеющей нулевой ВЧ потенциал.

Мостовые схемы КАГ применяют до частоты порядка 100 МГц и более. 12