1.3. Особенности проектирования кварцевых автогенераторов

1.3.1. Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Стабильность частоты автогенератора в основном определяется эталонными свойствами и добротностью его колебательной системы. Эталонные свойства и добротность электрических колебательных систем ( – контуров) обычно ограничивают относительную нестабильность частоты АГ значением порядка 10.

В тех случаях, когда требуется более высокая стабильность частоты, в АГ применяются механические колебательные системы, из которых наиболее широкое распространение получили кварцевые резонаторы (КвР).

Существование прямого и обратного пьезоэлектрического эффектов в кварце, допускающего практически полное преобразование электрической энергии в механическую и обратно, делает удобным использование КвР в качестве колебательной системы АГ.

В кварцевых резонаторах может быть возбуждено несколько видов механических колебаний, а в пределах данного вида возможны колебания на основной частоте и на механических гармониках. Поэтому электрическая эквивалентная схема КвР (рис. 1.2, а) может быть пред-ставлена в виде параллельного соединения емкости кварцедержателя и, в общем случае, бесконечного числа – контуров, резонансные частоты которых совпадают с частотами механических колебаний кварцевой пластины. Так как КвР является высокодобротной коле-бательной системой, при построении эквивалентной схемы, справедливой для узкого диапазона, вблизи каждой из частот гармоник можно пренебречь влиянием всех последовательных контуров, кроме одного, настроенного на эту частоту.

а б

Рис. 1.2

К основным параметрам эквивалентной схемы КвР, приводимым в справочных данных, относятся: динамические индуктивность и емкость , емкость кварцедержателя , сопротивление потерь , добротность резонатора и частота последователь-ного резонанса в динамической ветви .

При анализе и проектировании кварцевых АГ кварцевый резонатор удобно представить в виде последовательного соединения резистивного и реактивного двухполюсников (см. рис. 1.2, б), т. е. , где

; (1.10)

, (1.11)

где - обобщенная расстройка; .

Анализ выражения (1.11) показывает, что эквивалентное сопротивление резонатора носит индуктивный характер в диапазоне относительных расстроек от до . За пределами этой области КвР имеет емкостный характер эквивалентного сопротивления. Крутизна фазочастотной характеристики КвР с учетом (1.10) и (1.11)

достигает максимального значения, равного 1 () при = 0. При  = 0,76 падает в два раза, а при = 0,95 – в три раза, что необходимо учитывать при выборе резонатора, исходя из заданной частоты генерируемых колебаний.

Характерным свойством КвР является старение, приводящее к необратимому изменению резонансной частоты . Скорость старения максимальна в начале срока эксплуатации резонатора и пропорциональна рассеиваемой в нем мощности. Поэтому КвР первоначально подвергают “тренировке”, т. е. работе с повышенной мощностью рассеивания (). При дальнейшем использовании должна соответствовать значениям, указанным в табл. 1.2 [3].

Таблица 1.2

Частота, кГц	Рекомендуемая , мВт		Допустимая, мВт
	для термо-статируе-мых КвР	для нетер-мостатируе-мых КвР	для термо-статируемых КвР	для нетермо-статируемых КвР
От 4 до 50 при колебаниях на основной частоте	0,005	0,01	0,01	0,03
От 50 до 800 при колеба-ниях на осно-вной частоте	0,200	0,50	0,50	1,00

Окончание табл. 1.2

Частота, кГц	Рекомендуемая , мВт		Допустимая, мВт
	для термо-статируе-мых КвР	для нетер-мостатируе-мых КвР	для термо-статируемых КвР	для нетермо-статируемых КвР
Свыше 15000 при колеба-ниях на выс-ших гармо-никах	0,200	0,50	0,50	1,00
Для прецизи-онных термо-статируемых резонаторов	0,010	–	0,10	–

Серийно выпускаемые КвР изготавливаются на частоты от 4 кГц до 100 МГц в различном конструктивном выполнении: вакуумированные, герметизированные, миниатюрные и микромодульные. Допустимые относительные отклонения частоты настройки резонаторов от номинального значения в зависимости от класса резонатора лежат в пределах  0,5 10...  50 10.

В табл. 1.3 приведены основные параметры некоторых типов резонаторов.

Таблица 1.3

№ п/п	fкв, МГц	Rкв, Ом	Qкв, (тыс.)	С0, пФ
1	0,750	450	30	10
2	0,999985	170	50	6
3	1,0	150	45	8
4	1,499972	270	30	5
5	1,5	250	40	7
6	1,500034	470	40	3
7	1,99997	85	56	5
8	2,0	210	50	3.5
9	2,000016	120	60	4
10	2,999955	50	58	4
11	3,0	82	45	5
12	3,999931	44	58	4
13	4,0	50	68	5

Окончание табл. 1.3

№ п/п	fкв, МГц	Rкв, Ом	Qкв, (тыс)	С0, пФ
14	4,99992	27.5	91	5.7
15	5,0	28.7	88	4.6
16	6,0	24.5	59	6.3
17	7,99993	11	100	8
18	9,0	15	32	5
19	10,0	35	34	5
20	15,0	11	67	7

Долговременная относительная нестабильность частоты вакуумированных КвР составляет (3...5)10, а герметизированных – (10...30)10. Относительная нестабильность за сутки не превышает 10.

До 15 МГц кварцевые резонаторы возбуждаются на основной частоте, а свыше 15 МГц – на гармониках.