Лекция: Схемы кварцевых ГСВ

Учебные вопросы:

1 Осцилляторные схемы

2 Фильтровые схемы

Для построения схем высокостабильных автогенераторов кварце­вый резонатор используют либо как высокоэталонную индуктив­ность, замещая им катушку в емкостной трехточечной схеме, ли­бо как высокодобротный последовательный контур в цепи поло­жительной обратной связи автогенератора. В соответствии с мес­том включения кварца в схему автогенератора различают две группы кварцевых автогенераторов: осцилляторные и фильтровые.

Осцилляторные схемы. В них кварц включается вместо одной из индуктивностей в обобщенной трехточечной схеме, как пока­зано на рис.

Колебания в этих схемах могут существовать только тогда, когда кварц имеет индуктивное сопротивление, т. е. на частоте, близкой к собственной резонансной частоте кварца ωкв. На других частотах баланс фаз не выполняется и колебания в автогенераторе не возникают. На практике чаще всего исполь­зуется емкостная трехточечная схема, у которой кварц включает­ся вместо индуктивности в участок коллектор — база. Эта схема обладает лучшей стабильностью частоты, что является следстви­ем меньшего шунтирования кварцевого резонатора самим тран­зистором. Кроме того, в схеме отсутствуют катушки индуктивно­сти, что дает возможность построения автогенераторов в инте­гральном исполнении.

Простейшая принципиальная схема транзис­торного автогенератора с кварцем, включенным в цепь база — коллектор, приведена на рис. 3.7.

Это емкостная трехточечная схема автогенератора. Работа автогенератора по этой схеме воз­можна только на частоте кв) генерациарца. При неисправности кварца (шунтировании его или обрыве в цепи срывается. Недо­статком этой схемы является то, что кварц шунтируется сопро­тивлением коллекторно-базового перехода транзистора, что сни­жает стабильность частоты генерируемых колебаний, так как это сопротивление изменяется под действием дестабилизирующих факторов. Кроме того, на резонаторе создается значительное на­пряжение, вызывающее его нагрев, что также снижает стабиль­ность частоты. Поэтому кварцевые генераторы выполняют по воз­можности на малую мощность.

Нестабильность частоты в осцилляторных схемах автогенера­торов при добротности кварцевого резонатора Q= 10⁵ составля­ет 10^-6... 10^-7.

2 Фильтровые схемы.

В них кварцевый резонатор включают последовательно в цепь обратной связи, соединяющую базу, эмиттер или коллектор транзистора с колебательным контуром автогенератора. Варианты включения кварцевого резонатора в схему емкостной трехточки приведены на рис. 3.8.

Кварцевый резонатор может быть также включен в колебательный контур.

На частотах, отличающихся от резонансной частоты кварца ωкв, сопротивление кварцевого резонатора, являющегося элементом обратной связи, комплексное и большое, а коэффициент обратной связи мал. Поэтому условие самовозбуждения в этих схемах не выполняется и колебания в автогенераторе не возникают. На основной частоте последовательного резонанса (или на нечетной механической гармонике) кварц обладает только небольшим активным сопротивлением. При этом создаваемая кварцем цепь обратной связи замыкается, условия самовозбуждения выполняются и колебания в автогенераторе возникают. Принципиальная схема кварцевого автогенератора с кварцем в цепи обратной связи приведена на рис. 3.9.

Недостатком схем автогенераторов с кварцем в цепи положительной обратной связи является наличие дополнительной обратной связи через емкость кварцедержателя или статическую емкость кварца С0, вследствие которой возможна паразитная генерация. Для компенсации емкости С0 параллельно кварцу включают индуктивность или используют мостовую схему нейтрализации С0. Параллельно включенные индуктивность и емкость С0 образуют фильтр — пробку на частоте паразитного колебания. Но для работы автогенератора на гармониках выше 5-й применение компенсирующей индуктивности оказывается неэффективным. На частотах 100... 200 МГц можно использовать только мостовые схемы.

3 Мостовые схемы.

Такие схемы дают лучшие результаты по нейтрализации емкости Со и обеспечивают повышение стабильности частоты на целый порядок.

Мостовая схема нейтрализации емкости кварцедержателя С0приведена

на рис. 3.10.

Здесь плечи моста образуются частями, катушки Ьк\^К2, кварцевым резонатором и нейтродинным конденсатором Сх. Транзистор включен в одну из диагоналей моста. На всех частотах, кроме резонансной, мост сбалансирован, возбуждение на транзистор не поступает и паразитная генерация не возникает. Это можно увидеть, проследив прохождение токов для нерезонирующих частот. Напряжение между точками К и Б является напряжением на контуре ЬС. Мгновенная полярность напряжений для одного полупериода указана на рис. 3.10. Напряжение на катушке Ьк& создает ток обратного прохождения по цепи: от плюса в точке Э, через Сф, Сэ, эмиттер — база транзистора VI, С0 кварцедержателя, к минусу в точке Б. В этот же полупе-риод напряжение на катушке Ьк\ создает ток, протекающий по цепи; от плюса в точке К, через С я, база — эмиттер транзистора VI, Сэ, Сф, к минусу в точке Э. Таким образом, токи через транзистор направлены встречно и компенсируются. Равенство токов для нерезонирующих частот достигается подбором емкости Ск.

На резонирующей частоте баланс моста нарушается. Напряжение возбуждения поступает в цепь базы транзистора, и в схеме возникает генерация.

Для стабилизации частоты кварц можно включать в индуктивную ветвь контура, как показано на рис. 3.11.

Колебательный контур автогенератора образуется конденсаторами С1—СЗ с катушкой Ь, которая подключается на частоте последовательного резонанса кварца, т. е. когда сопротивление кварца становится активным и минимальным. При закорачивании кварца автогенератор работает примерно на той же частоте, что и с кварцем. Для подавления паразитных колебаний, которые могут возникнуть в колебательной системе, образуемой колебательным контуром и статической емкостью кварца С0, параллельно кварцу включают шунтирующее сопротивление Ят-

Во всех этих схемах кварц не шунтируется переходами транзистора и изменение реактивностей транзистора мало влияет на частоту колебаний. В результате облегчается самовозбуждение и повышается стабильность частоты.

4Гармонические автогенераторы.

Выше было показано, что для частот выше 20 МГц кварцевую пластину нужно изготовить тоньше 0,1 мм. При этом она оказывается механически непрочной и поэтому использовать ее нельзя. На частотах, превышающих 5 МГц, обычно используют кварцевые резонаторы, работающие на высших механических гармониках. При этом оказывается, что на некоторых гармониках (третьей, пятой) потери меньше, чем на основной гармонике. Добротность резонатора получается бо-лее высокой, что позволяет повысить стабильность генерируемой частоты. Но для исключения возможности генерации на частотах гармоник, отличающихся от заданной, схемы дополняют контурами, нарушающими условия самовозбуждения для паразитных гармоник; Одна из таких схем приведена на рис. 3.12.

Здесь параллельный контур Ь1С1 в цепи коллектора, имея индуктивный характер сопротивления на частотах, более низких, чем требуется, исключает возможность выполнения на них условия баланса фаз. Сопротивление последовательного контура Ь2С2 в цепи эмиттера на частотах гармоник выше требуемой носит индуктивный характер и не допускает самовозбуждения на них. Таким образом, баланс фаз выполняется только на частоте требуемой гармоники.

При работе автогенератора на гармониках механических колебаний емкость кварца Скв эквивалентного последовательного контура становится небольшой. При этом начинает проявляться шунтирующее действие емкости кварцедержателя С0. Поэтому нейтрализацию статической емкости кварца на частотах свыше 30...... 40 МГц вводить обязательно.

В гармониковых автогенераторах нейтрализация емкости кварцедержателя С0 осуществляется либо подключением параллельно кварцедержателю индуктивной катушки, либо использованием мостовых схем.

5 Двухкаскадные схемы

Автогенератор, работающий на гармонике частоты кварца, можно построить на основе однокаскадного усилителя, включив кварцевый резонатор в цепь обратной связи,

как показано на рис. 3.13. Эта схема получила название схемы Батлера. Здесь часть напряжения с колебательного контура через кварцевый резонатор подается на эмиттер в противофазе с напряжением на коллекторе. Этим обеспечивается баланс фаз. Баланс амплитуд достигается подбором сопротивления резистора Яэ. Чтобы сохранить высокую фиксирующую способность кварцевого резонатора и этим обеспечить высокую стабильность частоты, необходимо уменьшать сопротивления включаемых в цепь обратной связи последовательно с кварцевым резонатором резисторов. Кроме того, надо уменьшать выходное сопротивление контура. Достигнуть этого увеличением емкости контура Ск1 не всегда возможно, так как при этом уменьшится напряжение обратной «вязи и не будет выполняться баланс амплитуд.

Создание высокостабильных колебаний в схеме Батлера достигается включением в цепь обратной связи эмиттерного повторителя на транзисторе УТ2 (рис. 3-14). Емкость конденсатора УС1 выбирают из условия обеспечения баланса амплитуд, а кварцевый резонатор включают через малое выходное сопротивление эмиттерного повторителя, чем обеспечивается высокая фиксирующая способность кварцевого резонатора. Это происходит потому, что в цепь обратной связи последовательно с резонатором не включены большие сопротивления и добротность его определяется в ■•основном сопротивлением только самого кварца.

Достоинство двухкаскадного автогенератора — также простота нейтрализации статической емкости кварцевого резонатора С0 путем взаимной компенсации сигналов, поступающих на эмиттер транзистора УТ1 через емкости С0 и С№.

Преимущество двухкаскадных схем —• возможность перестройки их с одной механической гармоники на другую путем перестройки контура в коллекторной цепи на нужную гармонику. В таких автогенераторах можно получить колебания на гармониках •с номером до 15-го.

Дата добавления: 2015-12-01