5.1.2. Кварцевые генераторы

О беспечить высокую стабильность частоты генерации можно при включении кварцевого резонатора в цепь обратной связи обычного LC-генератора. Для лучшей стабильности желательно использовать частоту последовательного резонанса кварца. При этом важно, чтобы общее сопротивление цепи обратной связи было значительно меньше собственного R кварцевого резонатора. Это условие выполняется в генераторе, принципиальная схема которого приведена на рис. 5.5.

Для генерации колебаний необходимо настроить LC-контур на резонансную частоту кварцевого резонатора. В этом случае полное сопротивление LC-контура велико, что позволяет получить в каскаде большое , а сопротивление кварцевого резонатора Кв мало, что обеспечивает глубокую ПОС между коллектором и базой транзистора. Частоту LC-контура можно выбирать гораздо больше резонансной частоты Кв. При этом резонатор возбудится на соответствующей высшей гармонике. В серийных кварцевых резонаторах = 10кГц - 10МГц, но некоторые из них могут возбуждаться на частотах до 250 МГц. Таким образом, работа на высших гармониках целесообразна для получения генерации на частотах свыше 10 МГц.

Отметим, что нагрузка в рассматриваемом генераторе может подключаться к коллектору транзистора. Для уменьшения ее влияния на режим работы кварцевого генератора иногда используется дополнительный согласующий каскад.

Если возбуждать кварцевый резонатор на основной частоте , то можно построить генератор и без использования LC-контура. На рис. 5.6 приведена принципиальная схема одного из вариантов такого кварцевого генератора. Частота генерации здесь определяется значением . На частотах ниже 2 МГц к кварцу Кв желательно подключить емкостный делитель напряжения, состоящий из конденсаторов и (цепь обозначена пунктиром на рис. 5.6), который способствует выполнению баланса фаз на частоте генерации. Отметим, что в генераторе (рис. 5.6) индуктивность L иногда может быть заменена резистором или параллельной цепью из резистора и конденсатора.

Е сли стабильность кварцевого генератора все же оказывается недостаточной для некоторых специальных случаев, то следует применить термостатирование кварцевого резонатора. Если даже получена хорошая температурная стабильность, остаются еще серьезные причины, которые могут изменить частоту генерации: временные нестабильности, старение, удары, вибрации и т. д. В тех случаях, когда стабильность термостатированных резонаторов не удовлетворяет предъявленным требованиям, можно рекомендовать лишь применять стандартные атомные частоты.

Помимо кварцевых резонаторов находят применение и другие элементы акустоэлектроники в генераторах специального назначения. Для генерации сигналов низких частот можно использовать акустоэлектронные элементы, работающие на изгибных колебаниях, а также RС-цепи. Самое широкое распространение в современной электронике получили низкочастотные синусоидальные RС-генераторы.

5.1.3. Генераторы rс-типа (rc-генераторы)

В RС-генераторах в качестве частотно-избирательных цепей используются цепи обратной связи, состоящие из конденсаторов и резисторов. В генераторах могут использоваться усилительные каскады, инвертирующие и не инвертирующие сигнал. В первом случае RС-цепь обратной связи должна обеспечивать дополнительный фазовый сдвиг на 180°, а во втором - ее фазовый сдвиг должен быть равен нулю. Значительное количество возможных схем RС-генераторов определяется большими схемотехническими возможностями RС-цепей.

На рис. 5.7 приведена принципиальная схема RС-генератора на инвертирующем усилительном каскаде. В цепи ПОС здесь использован трехзвенный ФВЧ, сдвигающий фазу сигнала на 180°. Поскольку максимальный фазовый сдвиг, вносимый одним таким звеном на частоте, близкой к нулю, стремится к 90°, для получения сдвига в 180° RС-цепь должна содержать не менее трех последовательно включенных звеньев. В этом случае каждое звено на частоте генерации обеспечивает сдвиг в 60°, при этом еще сохраняется приемлемый коэффициент передачи всего ФВЧ. Для четырехзвенного фильтра (который тоже иногда используется в RС-генераторах) фазовый сдвиг на частоте для одного звена составляет 45°. Четырехзвенные ФВЧ обладают меньшим затуханием сигнала на частоте генерации и для выполнения генератора требуют использования усилителя с меньшим коэффициентом усиления.

Обычно в RС-генераторах и . При этом частота может быть определена как для генератора с трехзвенной цепью и - с четырехзвенной цепью ПОС. Сравнение этих формул показывает, что в генераторе с четырехзвенным RC-фильтром выше.

На частоте коэффициент обратной связи для трехзвенной RС-цепи равен 1/29, а для четырехзвенной - 1/18,4. Следовательно, возбуждение генератора будет происходить, если в устройстве в случае трехзвенного и в случае четырехзвенного ФВЧ.

Регулировка в усилителе на ОУ осуществляется за счет изменения глубины ООС (обычно с помощью ). Кроме того, глубокая ООС в рассматриваемом RС-генераторе применяется для улучшения формы синусоидальных колебаний и снижения влияния элементов схемы на работу устройства.

Снижение затухания в цепях ПОС и улучшение других параметров генераторов можно достичь за счет использования так называемых прогрессивных цепочек. В каких цепочках используются резисторы, номиналы которых для каждого последующего звена берутся в п раз больше, чем в предыдущем звене, и конденсаторы, номиналы которых, наоборот, уменьшаются для каждого последующего звена в п раз. Так, при в трехзвенной цепи и .

Необходимо отметить, что в RС-генераторах в цепи ПОС могут быть использованы не только ФВЧ, но и ФНЧ. Однако в этом случае для получения заданной требуется применить R и С больших номиналов со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Если неинвертирующий усилитель охватить ПОС, то он будет генерировать колебания и без использования фазовращающих RС-цепей. Однако условия (5.2) в таком генераторе будут выполняться для целого спектра частот, что приведет к появлению колебаний несинусоидальной формы. Для осуществления генерации только синусоидальных электрических колебаний в устройстве должна быть использована цепь ПОС, обеспечивающая условие баланса фаз только для одной частоты . В такой RС-цепи на частоте фазовый сдвиг должен быть равен нулю. Этим свойством обладает мост Вина (см. рис. 5.8), который широко применяется в RС-генераторах.

Н а рис. 5.8 приведена принципиальная схема RС-генератора на неинвертирующем усилительном каскаде с мостом Вина в цепи ПОС. Поскольку на частоте коэффициент передачи моста Вина равен 1/3, то , и возбуждение генератора имеет место при , т.е. при .

В общем случае частота генерации будет зависеть и от параметров усилителя. Однако применение ОУ с глубокой ООС практически устраняет этот фактор. В результате температурная нестабильность RС-генератора на ОУ определяется только нестабильностью RС-цепей и имеет весьма малые значения.