Кварцева стабілізація частоти автогенераторів

Добротність кварцевих резонаторів на декілька порядків перевищує добротність звичайних LС -контурів. Кварцева пластина вирізується з кристала кварцу і поміщається між двома металевими обкладаннями. Під дією високочастотної напруги, прикладеної до металевих обкладань резонатора, виникають пружні механічні коливання з дуже малим загасанням. Основна частота механічних коливань в мегагерцах визначається співвідношенням

,

де М - частотний коефіцієнт, величина якого визначається типом зрізу і видом коливань; d - товщина пластини в міліметрах. Зокрема, при коливаннях зрушення по товщині значення М знаходиться в межах від 1,5 до 3 МГц/мм. При товщині 0,1 мм забезпечується частота коливань 15...30 МГц. При необхідності стабілізувати вищі частоти використовують гармоніки механічних коливань кварцевого резонатора. При цьому збудження резонатора можливе тільки на непарних гармоніках, оскільки тільки в цьому випадку на обкладаннях резонатора утворюються заряди протилежного знаку.

Еквівалентна схема резонатора поблизу основної частоти приведена на мал. 6.11. Ємність С ₀ характеризує статичну ємність кварцеутримувача (зазвичай 2...8 пФ), інші елементи схеми - еквівалентні динамічні параметри. Індуктивність L_кв (порядку одного генрі) характеризує інерційні властивостіпластини; ємкість С_кв - пружні властивості пластини (соті долі пікофаради); опір r_кв (одиниці Ом) - втрати в резонаторі. Видно, що є дві власні частоти резонатора - частота послідовного резонансу і друга - частота паралельного резонансу

.

Відношення називається ємкісним відношенням і має порядок 10^-3. Інтервал між частотами ω₀-ω₁ називається резонансним проміжком, а відношення - відносним резонансним проміжком. Величина відносного резонансного проміжку приблизно рівна 0,5т.

Характер залежностей активної R_екв і реактивної Х_екв складових еквівалентного опору кварца від частоти показаний на мал. 6.12. Видно, що в дуже вузькому частотному діапазоні між ω₁ і ω₀ реактивний опір кварцевого резонатора має індуктивний характер, на решті частотах - ємкісний.

Одним з основних параметрів кварцевого резонатора є температурний коефіцієнт частоти ТКЧ - відносна зміна частоти при зміні температури на 1°С. Його величина має порядок 10^-6, залежить від температури і типу зрізу. Залежність ТКЧ від температури називається температурно-частотною характеристикою. Порівняно малий відхід частоти (до 2·10^-5) в інтервалі робочих температур -60...+80 °С мають пьєзоелементи із зрізами AT і ЖТ.

Потужність розсіяння. При роботі в схемі через резонатор протікає струм, величина якого пропорційна амплітуді механічних коливань. Надмірно великий струм прискорює процес старіння і може привести до руйнування резонатора. Максимальні струми, при яких забезпечується тривала робота резонатора з допустимими змінами параметрів, для різних видів резонаторів складають від 1 до 50 мкА. При цьому потужність Р_кв, що розсіюється в резонаторі, не повинна перевищувати допустиму Р_{кв доп}, яка складає декілька міліватт. У випадку якщо ця умова не виконується, стабільність власної частоти кварцевого резонатора різко погіршується, змінюється структура кристалічної решітки, що може привести до руйнування кристала.

Добротність кварцевого резонатора, складова декілька десятків і навіть сотень тисяч, приблизно однакова на першій, третій і п’ятій гармоніках і зменшується починаючи з сьомої [2]. За іншими даними [10]

,

де Q ₁ - добротність резонатора при першому порядку коливань, n - номер порядку коливань.

Інші параметри резонаторів при порядках коливань вище першого пов’язані з параметрами резонаторів при першому порядку коливань наступними співвідношеннями: , , , де n - номер порядку коливань, r_{кв 1}, C_{кв 1}, L_{кв 1} - параметри резонатора при першому порядку коливань, r_{кв n}, C_{кв n}, L_{кв n} - параметри резонатора при n -ному порядку коливань.

Слід зазначити, що в даний час резонатори виготовляють не тільки на основі кварцу, але і з використанням інших пьезокристаллических матеріалів. Наприклад, для перебудовуваних генераторів резонатори виготовляють на сегнето-електричних монокристалах танталату літію, що забезпечують широкий резонансний проміжок, - в 50...100 разів ширше, ніж у кварцу з такими ж розмірами. Вони мають високу добротність Q = (20...50)·10³ і відносна зміна частоти в інтервалі температур -60...+85°С не більше 1·10^-9 [10].

Традиційна технологія виготовлення п’єзоелектричних приладів дозволяє досягти мінімальної товщини п’єзоелементів 30...50 мкм, що забезпечує їх збудження на основних частотах до 50 МГц. Іонна технологія обробки дозволяє досягти товщини 0,5 мкм, що забезпечує отримання частот до 5 ГГц.

Підвищення частотного діапазону можна забезпечити також і при використанні резонаторів на поверхневих акустичних хвилях (ПАВ). Основними параметрами таких резонаторів є:

- діапазон робочих частот - від одиниць мегагерц до одиниць гігагерц;

- стабільність частоти - (1...10)·10^-6 за рік;

- добротність - залежить від частоти і приймає значення великі 10⁴;

- точність настройки - залежить від частоти і знаходиться в межах (150..1000)·10^-6.

Принципові схеми кварцевих автогенераторів. Схеми кварцевих генераторів можна розділити на три групи:

1) осциляторні схеми (використовують індуктивний характер опору резонатора),

2) гармонійні схеми (АГ збуджується на гармоніках з n = 3,5,7...),

3) фільтрові схеми (кварцевий резонатор включають послідовно в ланцюг зворотного зв’язку).

1. У осциляторних схемах кварцевий резонатор використовується як індуктивність в еквівалентній трехточке (найчастіше ємкісною). Приклад такої схеми приведений нарис. 6.13.

Мал. 6.13

Генератор збуджується на частоті, близькій до частоти послідовного резонансу кварцу. Визначити частоту генерації ω _г можна з рівняння:

,

де , , - реактивний опір кварцевого резонатора. Графічне вирішення цього рівняння приведене на мал. 6.14.

Мал. 6.14

Дві криві перетинаються в крапках А і Б. Генератор збуджується тільки на частоті, відповідній крапці А, оскільки на частоті Б поблизу паралельного резонансу різко зростає еквівалентний активний опір резонатора (див. мал. 6.12).

Можна міняти в невеликих межах частоту генератора, поставивши послідовно з кварцем змінний конденсатор або варікап.

2. Гармонійні схеми. На ВЧ резонатори можуть працювати на непарних гармоніках механічних коливань кварцевої пластини. Схема генератора, що працює на заданій механічній гармоніці, аналогічна схемі генератора на мал. 6.13. Відмінністю є те, що паралельно конденсатору С ₁ підключається додаткова індуктивність L_доп (звичайно, через розділовий конденсатор), твірна разом з С ₁ додаткового паралельного коливального контура, резонансна частота якого ω _доп = (L_допС ₁)^-1/2 декілька нижче за робочу частоту, але вище за частоту найближчої непарної гармоніки. Тоді на робочій частоті контур еквівалентний ємкості, і АГ є звичайною триточковою схемою. Відзначимо, що замість додаткової індуктивності можна використовувати дросель L_{бл 1} в колекторному ланцюзі транзистора (мал. 6.13).

3. Принцип роботи фільтрових схем полягає в наступному. Величина модуля опору резонатора на частоті послідовного резонансу мінімальна і різко зростає при відхиленні частоти від ω₁. Тому якщо включити резонатор в ланцюг зворотного зв’язку триточкової схеми автогенератора, то при частотах, близьких до частоти послідовного резонансу, ланцюг зворотного зв’язку замикається і автогенератор самозбуджується. На частотах, що відрізняються від ω₁ опір кварцу великий, коефіцієнт зворотного зв’язку малий, умови самозбудження генератора не виконуються. Таким чином, кварцевий резонатор еквівалентний вузькосмуговому фільтру в ланцюзі зворотного зв’язку (мал. 6.15). В порівнянні з осциляторними, фільтрові схеми можуть забезпечити велику вихідну потужність, проте стабільність частоти у них менша.

мал. 6.15

Дата добавления: 2015-09-06