3.6.2.Кварцова стабілізація частоти

Кварцова стабілізація частоти зводиться до застосування квар­цових резонаторів, що дає дуже низьку нестабільність частоти, звичайно близько .

Кварцовий резонатор являє собою тонку пластинку прямокутної або круглої форми, вирізану певним чином з кристалу кварцу, встановлену у тримач. Як відомо, кварц має п'єзоелектричні властивості. При стисненні кварцової пластини на протилежних її гранях з'являються різнойменні електричні заряди, при розтягуванні пластини знаки зарядів на тих же гранях змінюються на зворотні (прямий п'єзоефект). При дії на кварцову пластину змінного електричного поля в ній виникають механічні пружні коливання (зворотний п'єзоефект), які призводять, у свою чергу, до появи електричних зарядів на гранях. Коли власна частота кварцу збігається з частотою прикладеної до пластинки напруги, настає явище резонансу, і амплітуди механічних коливань максимальні. Таким чином, пластина кварцу являє собою електромеханічну систему, яка має резонансні властивості. Залежно від геометричних розмірів і орієнтації зрізу резонансні властивості (резонансна частота ) кожної пластини фіксовані і знаходяться в межах від декількох одиниць кілогерц до1000 МГц .

Кварцовий резонатор еквівалентний коливальному контурі з послідовним резонансом (резонансом напруг) з частотою (рис. 3.17, а),

де відповідно еквівалентні індуктивність, ємність і опір втрат кварцу, які обумовлюють його частоту коливань. Індуктивність кварцу може бути значною – від десятків мікроГенрі до декількох міліГенрі. Ємність кварцу мала (соті частини пікоФарад). Кварцовий резонатор має гострий резонанс, що свідчить про невеликий опір , порядку одиниць Ом. Тому добротність кварцу досягає , тобто вона на два-три порядки більша за добротність контурів, виконаних на дискретних елементах – індуктивній котушці і конденсаторі.

Оскільки кристал кварцу вкладають в тримач, який має ємність (декілька десятків пікофарад), то в кварцовому резонаторі спостерігається і паралельний резонанс (резонанс струмів) з частотою

На частотах нижче і вище еквівалентний опір кварцового резонатора має ємнісний характер (див. рис. 3.17, б), а на частотах вище і нижче – індуктивний характер. Частотні властивості кварцового ре­зонатора обумовлюють його різне вмикання в автогенератор. Кварцовий резонатор можна вмикати в коло зворотного зв'язку як послідовний (коливальний) контур, як індуктивний або ємнісний елементи гілки коливального контуру.

Температурна нестабільність кварцового резонатора дуже мала – у деяких кристалів вона має значення .

Рисунок 3.17 – Коло еквівалентне кварцовому резонатору (а) та діаграма реактивного опору (б)

На рис. 3.18, а, б наведені схеми кварцових генераторів (схема Пірса) на біполярному і польовому транзисторах. В цих схемах кварц вмикається між колектором і базою біполярного транзистора (a) і між стоком і затвором польового транзистора (б), тобто в коло негативного зворотного зв'язку. Проте на частоті резонансу кварц вносить додатковий фазовий зсув на 180˚, у результаті чого зворотний зв'язок стає позитивним

Аналогічним чином функціонує схема кварцового генератора, запропонованого Колпітцем (рис. 3.18, в). В цій схемі для полегшення збудження застосований ємнісний подільник на елементах і . В результаті чого схема стає схожою на ємнісну триточку.

Схема на ОП з мостом Віна наведена на рис. 3.19. У схемі замість одного з резисторів ввімкнений кварцовий резонатор , який працює в режимі резонансу напруг.

В цьому автогенераторі для виконання балансу амплітуд потрібно суворо підтримувати коефіцієнт підсилення . Для цього вводять коло нелінійного негативного зворотного зв'язку – , в якому польовий транзистор використовується як елемент із змінним опором проміжку стік-витік . Цей опір зростає, якщо напруга затвора стає більш негативною. Як видно із схеми, коефіцієнт підсилення із збільшенням зменшується і навпаки. Негативна напруга формується вихідною напругою генератора після її випрямлення діодом , згладжування фільтром і резистивним подільником .

Кварцову стабілізацію частоти звичайно застосовують в автогенераторах, які працюють на фіксованих частотах, що є її недоліком

Рисунок 3.18 – Схеми кварцових генераторів на біполярному і польовому транзисторах

.

Рисунок 3.19 – Схема генератора на ОП з мостом Віна