4.9.4 Стабилизация частоты колебания автогенератора

На частоту генерируемых колебаний автогенератора, кроме параметров колебательного контура или другого фазирующего четырехполюсника, существенное влияние оказывают параметры усилителя, зависящие в свою очередь от изменений температуры окружающей среды, напряжений источников питания, атмосферного давления и влажности, нагрузки и т. п.. Влияние этих и других дестабилизирующих факторов сказывается тем сильнее, чем меньше добротность колебательного контура или другого фазирующего четырехполюсника. Для увеличения добротности избирательных систем применяют катушки индуктивности и конденсаторы с малыми сопротивлениями потерь, уменьшают шунтирование избирательных систем со стороны входа и выхода усилителя, используют параметрическую стабилизацию усилителя путем введения в него различных ООС и т. п. Этими способами удается получить относительную нестабильность частоты автогенератора ∆f / f₀ =10^–4...10^–5. Однако наиболее эф­фективным способом стабилизации частоты автогенера­торов является кварцевая стабилизация, когда в качестве колебательной системы используется кварцевый резо­натор, или сокращенно – кварц, добротность которого достигает значения 10⁶ и более. . Механическая прочность и слабая зависимость частотных свойств от температуры обуславливает высокую эталонность частоты кварцевых резонаторов.

Рисунок 4.102– Эквивалентная схема кварца (а), зависимость его реактивного сопротивления от частоты (б) и схема изменения реактивного сопротивления (в)

Кварцевый резонатор (сокращенно кварц) представляет собой помещенную в кварцедержателъ тонкую прямоугольную пластинку минерала кварца, грани которой определенным образом ориентированы по отношению к осям кристалла. Как известно, кварц обладает прямым и обратным пьезоэлектрическим эффектом (проще, пъезоэффектом). Из курса физики известно, что прямой пьезоэффект возникает при механическом сжатии или растяжении кварцевой пластинки и сопровождается появлением на ее противоположных гранях электрических зарядов.

При воздействии на кварцевую пластинку переменного электрического поля в ней возникают упругие механические колебания (обратный пьезоэффект), приводящие, в свою очередь, к появлению электрических зарядов на гранях пластинки. Кварц можно рассматривать как электромеханическую колебательную систему, которая по своим свойствам эквивалентна колебатель­ному LC-контуру с высокой добротностью. Его можно представить электрической схемой, показанной на рисунке 4.102, а. Значения элементов L_кв, С_кв, R_кв и С₀ определяются геометрическими размерами пластинки кварца и видом среза(С₀ –ёмкость кварцедержателя). Так, например, для кварца на 1,5 МГц L_KB=400 мГн; С_кв = 0,028 пФ, R_кв=35 Ом, а для кварца на 4 МГц L_кв=100 мГн; С_кв = 0,015 пФ, R_кв=100 Ом, С₀=5 пФ.

Из характера изменения сопротивления кварцевого резонатора (рисунок 4.102, б) следует, что он имеет две резонансные частоты: частоту последовательного резо­нанса f₀₁ и частоту параллельного резонанса f₀₂. При f₀₁ < f < f₀₂ реактивное сопротивление кварца имеет индуктивный характер, а при f < f₀₁ и f > f₀₂ – емко­стный.

Частота последовательного резонанса определяется выражением

,

а частота параллельного резонанса выражением

.

Так как С_кв << С₀, то из приведенных выражений следует:

f₀₁ f₀₂.

Если необходимо изменить частоту кварцевого резонатора в небольших пределах, то последовательно с ним включают подстроечный конденсатор, емкость которого значительно больше, чем С_кв (рисунок 4.102, в).

При кварцевой стабилизации частоты возможно построение двух типов кварцевых LC-генераторов: с LC-контуром и без и без LC-контура.

Рисунок 4.103 – Схемы автогенераторов с кварцевой стабилизацией частоты

В первом типе генераторов кварцевый резонатор включают в цепь обратной связи, а основной колеба­нии контур LC – в коллекторную цепь транзистора. Автогенератор в таком случае можно выполнять по схеме индуктивной (рисунок 4.103, а) или емкостной (рисунок 4.103, б) трехточки. Для выполнения условий самовозбуждения, необходимо, чтобы резонансная частота колебательного контура L_кC_к равнялась частоте кварцевого резонатора или была кратна ей. В последнем случае генератор будет работать на соответствующей гармонике кварца.

Чаще всего кварц в LC-генераторах применяют в качестве индуктивности (рисунок 4.104, а), что упрощает конструкцию, а также уменьшает мощность, рассеиваемую в резонаторе. Условия возникновения гармонических колебаний можно проанализировать, заменив кварцевый резонатор (К_в) его эквивалентной схемой и применив общие уравнения, характеризующие самовозбуждение автогенератора.

На рисунке 4.104, б изображена упрощенная схема RС-генератора с мостом Вина, в котором вместо одного из резисторов включен кварцевый резонатор, работающий в режиме резонанса напряжений. Для того, чтобы резонансная частота кварца совпадала с квазирезонансной частотой моста Вина, сопротивление резистора R подбирают равным резонансному активному сопротивлению кварца R_кв. Цепь отрицательной ОС с терморезистором R₂, включенная между выходом и инвертирующим входом ОУ, компенсирует температурные изменения резонансного сопротивления кварца и тем самым стабилизирует амплитуду выходных колебаний.

Рисунок 4.104– Схемы кварцевых автогенераторов: а — кварц— аналог индуктивности; 6— кварц включен в мост Вина в качестве сопротивления

На рисунке 4.105 показана схема кварцевого генератора, где кварцевый резонатор, выполняющий роль параллельного колебательного контура с высокой добротностью, включен в цепь ПОС ОУ между подключенным к выходу ОУ делителем R3R4 и неинвертирующим входом. Выполнение условия баланса амплитуд зависит от соотношения сопротивлений резисторов делителя R3R4 и цепи ООС R1R2.

Рисунок 4.105 – Схема кварцевого автогенератора на ОУ

Кварцевая стабилизация частоты транзисторных автогенераторов позволяет уменьшить относительную не­стабильность частоты генерируемых колебаний на 2-3 порядка по сравнению с обычными генераторами. Для получения более высокой стабилизации частоты приме­няют различные методы термокомпенсации генераторов и их термостатирование.