Автогенераторы с кварцевыми резонаторами
Высокое значение крутизны фазочастотной характеристики КР является основной причиной, обеспечивающей высокую стабильность частоты кварцевых АГ. Широко используемые на практике схемы АГ с кварцевой стабилизацией, несмотря на их многообразие, можно разбить на две большие группы.
К первой группе схем относятся АГ, в которых КР включается вместо одного из реактивных сопротивлений Х1, Х2 или Х3 в обобщенной трехточечной схеме АГ. Это так называемые осцилляторные схемы, показанные на рис. 24. В них эквивалентное сопротивление КР должно носить индуктивный характер, и выход резонатора из строя приводит к срыву колебаний, поскольку эквивалентное сопротивление невозбужденного КР имеет емкостной характер. В осцилляторных схемах частота генерации fГ удовлетворяет условию fКВ<fГ<fП.
Рис. 24. Типовые осцилляторные схемы кварцевых автогенераторов:а) на базе емкостной трехточки; б, в) на базе индуктивной трехточки
Из этих схем на практике чаще применяется схема с КР между коллектором и базой транзистора (рис. 24,а), обеспечивающая наибольшую стабильность частоты. Это обусловлено меньшим в отличие от других схем шунтированием кварцевого резонатора самим транзистором, малым влиянием собственных емкостей транзистора на резонансную частоту КС и тем, что высшие гармоники в базовом и коллекторном напряжениях ослаблены емкостями С1 и С2.
Во вторую группу схем, так называемых фильтровых, можно включить схемы с КР в цепи обратной связи и схемы с КР в контуре. Во всех этих схемах, как правило, помимо КР имеется обычный колебательный контур, обеспечивающий выполнение условий самовозбуждения. Отличительной особенностью схем второй группы является возможность сохранения колебаний в автогенераторе при закорачивании КР, поскольку в них используется последовательный резонанс кварца. Схемы с кварцем в цепи обратной связи могут быть получены путем включения КР в одну из ветвей, соединяющих колебательный контур с эмиттером или базой транзистора, как показано на рис. 25, а схемы с кварцем в контуре – включением КР последовательно с одним из реактивных сопротивлений Х1, Х2 или Х3. В обоих случаях генерация происходит на частотах, близких к частоте fКВ.
Рис. 25. Фильтровые схемы АГ с кварцевой стабилизацией частоты:а) типовая с подключением КР к базе транзистора; б) пример схемы с подключением КР к эмиттеру транзистора
Основные особенности процессов, происходящих в осцилляторных схемах, рассмотрим на примере схемы АГ, изображенной на рис. 24,а. Пренебрегая, как и ранее, фазовым углом средней крутизны, для определения частоты генерации можно воспользоваться соотношением (37), которое в данном случае приобретает вид
Х0=Х1+Х2+ХКВ=0, (39)
где ХКВ – реактивная составляющая эквивалентного сопротивления КР. Графическое решение уравнения (39) представлено на рис. 26. Из двух возможных значений частоты генерации fГ1 и fГ2 следует выбрать меньшую, поскольку только при fГ=fГ1 выполняется условие устойчивости баланса фаз (33) в форме дХ0/д>0.
Рис. 26. Частотные зависимости реактивных сопротивленийв колебательной системе кварцевого автогенератора
При построении АГ, работающих на частотах, превышающих 10 МГц, обычно используют КР с колебаниями на высших механических гармониках. Для исключения возможности генерации на частотах гармоник, отличных от заданной, схемы генераторов приходится усложнять, включая дополнительные реактивные элементы. Например, в схеме, изображенной на рис. 24,а, между базой и эмиттером транзистора следует включить последовательный L2С2 контур, а между эмиттером и коллектором – параллельный L1С1. Нетрудно убедиться, что если резонансные частоты каждого из контуров удовлетворяют неравенствам
и
(здесь fn-1, fn и fn+1 – частоты гармоник с номерами n-1, n и n+1), то баланс фаз в АГ будет выполняться только вблизи частоты n-й гармоники.
Используя работу КР на п-й механической гармонике, необходимо также учитывать, что емкость в динамической ветви CКВ уменьшится в n2 раз по сравнению с ее значением на основной частоте. Это может нарушить неравенство QКВ>2/р, необходимое для реализации осцилляторных схем. В подобных случаях требуется нейтрализовать емкость кварцедержателя С0 . Наиболее просто это можно осуществить, подключая параллельно КР катушку индуктивности L0, образующую с емкостью C0 параллельный контур, настроенный на частоту генерации.
Однако наиболее часто при построении АГ, работающих на частотах высших механических гармоник КР, находят применение фильтровые схемы, в первую очередь схемы с КР в цепи обратной связи. Принцип работы таких схем основан на том, что сопротивление кварцевого резонатора минимально вблизи частоты последовательного резонанса fКВ и резко возрастает при удалении от нее. Следовательно, условия самовозбуждения, выполняемые вблизи частоты fКВ, будут нарушаться на всех других частотах. Отсутствие генерации на отличных от требуемых гармониках обеспечивается собственной колебательной системой АГ. Для реализации высокой фиксирующей способности КР, а следовательно, и высокой стабильности частоты генерируемых колебаний fГ необходимо, чтобы в цепи обратной связи последовательно с КР не включались элементы, сопротивление которых на частоте fКВ было бы сравнимо или больше rКВ. С этой точки зрения более предпочтительной оказывается схема, представленная на рис. 25,б, в которой база транзистора заземлена, а КР включен в цепь, связывающую эмиттер с колебательной системой. Аналогичный результат можно, в принципе, получить и при помощи схемы, изображенной на рис. 25,а, в которой для получения низкого входного сопротивления транзистора в точке подключения КР используется балластный резистор R.
Литература для самостоятельной подготовки: [2, гл. 4.13, 4.14; 4, гл. 4.3, 4.5; 5(7), гл. 10, 11].