КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

 

В высокостабильных автогенераторах в качестве кон­туров или их элементов применяются электромехани­ческие резонаторы, обладающие высокой добротностью и достаточной температурной стабильностью. Наибольшее применение находят кварцевые резонаторы — пластины, выпиленные из кристалла кварца. В этих пластинах реа­лизуется так называемый пьезоэлектрический эффект — механическая энергия преобразуется в электрическую и наоборот. Переменное напряжение, приложенное к граням кварцевого резонатора, вызывает его колебания. Резо­нансная частота механических колебаний определяется раз­мерами пластины и на этой частоте преобразование ме­ханической энергии в электрическую чрезвычайно эффек­тивно. В самом резонаторе рассеивается очень малая часть энергии. Поэтому резонанс получается весьма острым. Кварцевые резонаторы имеют эквивалентную добротность Q от 10 000 до 1000 000.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена на рис. 1. У этого контура, если пренебречь сопротивле­нием потерь R_K, будут две резонансные частоты — час­тота последовательного резонанса f_s и частота параллель­ного резонанса f_р, определяемые по формулам:

где L_K, С_к, С_о — элементы эквивалентного контура.

Рис. 1. Эквивалентная схема кварца (а) и зависимости сопротив­лений от частоты (б)

Кривая зависимости реактивного сопротивления без уче­та потерь показана на рис. 1, б пунктирной линией. В пер­вом случае (f_s) реактивное сопротивление X равно нулю, во втором (f_р) — бесконечности. Реально есть потери, и контур обладает комплексным сопротивлением Z =R + jХ. На том же рис. 1 показаны зависимости реак­тивного сопротивления, активного сопротивления и модуля комплексного сопротивления

от ча­стоты. Разность частот f_p — f_s = Дf именуется шириной резонансного интервала.

О параметрах кварца на механических гармониках известно, что эквивалентная индуктивность на n-й гармо­нике практически не меняется, а эквивалентная емкость меньше в л² раз. Резонансный интервал уменьшается в n раз. Следует отметить, что добротность резонатора наи­более высокая на той гармонике, на которой он должен ра­ботать по паспорту, и, соответственно, на частоте, указан­ной на его корпусе.

Еще одно общее положение. Кварцы характеризуются допустимой мощностью рассеивания, превышение которой может вывести их из строя. Обычно на кварцах рассеивается менее 10% мощности, подводимой к генератору, что для разных типов резонаторов должно составлять 2 — 4 мВт.

Теперь непосредственно о кварцевых генераторах. Они подразделяются на генераторы параллельного резонанса (осцилляторные схемы) и генераторы последовательного резонанса (фильтровые схемы). В них используются квар­цы, возбуждаемые как на основной частоте, так и на не­четных механических гармониках. В осцилляторных схе­мах кварц возбуждается на частоте внутри резонанс­ного интервала, но вблизи параллельного резонанса его реактивное сопротивление имеет индуктивный характер. В генераторе последовательного резонанса возбуждение происходит на частоте вблизи последовательного резонан­са, реактивное сопротивление кварца при этом равно нулю, а его активное сопротивление очень мало.

Рис. 2. Варианты принципиальных схем кварцевых генераторов парал­лельного резонанса

На рис. 2 показаны варианты схем генераторов параллель­ного резонанса, в которых возбуждение кварца произво­дится на основной частоте. В радиолюбительских конст­рукциях наиболее распространены генераторы по схеме ем­костной трехточки, когда кварц включен между коллек­тором и базой транзистора (рис. 2, а). Они просты по кон­струкции и настройке и обеспечивают хорошую стабиль­ность частоты. На рис. 3 приведена практическая схема °сцилляторного кварцевого генератора с емкостной трех-точкой на частоту 14,1 МГц и показана его связь с удвои­телем частоты.

Рис. 3. Осцилляторная схема кварцевого генератора с емкост­ной трехточкой

Рис. 4. Принципиальная схема кварцевого генератора (емкостная трехточка) на механической гармонике кварца (а) и ее эквивалент­ная схема (б)

На рис. 4 приведена схема возбуждения кварца на ме­ханических гармониках. Для этого один из конденсато­ров схемы емкостной трехточки заменен параллельным кон­туром, который настраивается в резонанс на частоту ниже частоты генерации. В результате контур будет иметь ем­костную проводимость на частоте нужной гармоники, а на низших гармониках и на основной частоте — индук­тивную проводимость, что исключает возможность гене­рации на низших гармониках и основной частоте. Ска­занное положение поясняет рис. 5. где приведены диа­граммы реактивных сопротивлений последовательного и параллельного контуров. На рис. 5 приняты обозначе­ния: wL — сопротивление индуктивной части последова­тельного контура; 1/wC — сопротивление емкостной части последовательного контура; Z — общее сопротивление по­следовательного контура; 1/wL — проводимость индуктив­ной ветви параллельного контура; wС — проводимость ем­костной ветви параллельного контура; Y — суммарная проводимость параллельного контура.

Рис 5. Диаграммы реактивных сопротивлений после­довательного (а) и параллельного (б) контуров

В осцилляторных генераторах обычно возбуждаются третья и пятая гармоники, так как на более высоких гар­мониках (свыше 30 — 50 МГц) сказывается вредное влия­ние статической емкости и емкостей монтажа.

Для расчета схемы генератора, приведенной на рис. 3, существуют простые формулы определения емкостей кон­денсаторов С₁ и С₂ (в пФ), модуля коэффициента обратной связи |К| и высокочастотного напряжения на коллекто­ре (в В):

В этих формулах R_g — из расчета недонапряженного режима автогенератора; Х₂ — емкостное сопротивление конденсатора С₂; К_о — коэффициент, определяющий отно­шение емкостей C₂/C₁ = 1/K₀; f_K — частота колебаний, МГц;

К_к — эквивалентное активное сопротивление кварца. В ге­нераторах на транзисторах П403, ГТ308 и аналогичных значение К_о берется равным 1 — 1,5, а на транзисторах П411, ГТ311 — 0,7 — 0,8.

При питании цепей коллектора и базы от общего источ­ника Е_к (См. рис. 2, а) справедливо соотношение

Эквивалентное сопротивление в цепи базы Rбэ = R₁R₂/(R₁+R₂) должно равняться 5 — 10 кОм. Сопротивления резисторов делителя определяют по формулам

Для определения значения А нужно в собранном ге­нераторе, пока без кварца, с помощью временного дели­теля с потенциометром установить силу коллекторного то­ка в пределах 2 — 3 мА. После этого следует измерить на­пряжение E_бнэ, а затем рассчитать значения R_х и R_а. Сопротивление резистора R₃ определяет температурную стабильность генератора. Существуют рекомендации по выбору R_э. Для транзисторов ГТ308, а также для близких к ним по параметрам Rэ берется равным 300 Ом, а для тран­зисторов ГТ311 и им аналогичных — R₃ — 390 Ом. Со­противление нагрузочного резистора R_a определяется по формулам

где C₁ — емкость внешнего конденсатора; С_МОНT — ем­кость монтажа (3 — 5 пФ); С_вх и С_вых — входная и выходная емкости транзистора на частоте генерации f_к. По ана­логии

С₂ = С₂ + Cмонт + Cвх.

Емкость конденсатора С_я определяется из соотношения С₃ = (0,01 — 0,1) C₁.

Расчет блокировочных конденсаторов (в пФ) произ­водится по формулам

где R_э — сопротивление в Ом; f_к — частота в МГц.

Перейдем к варианту генератора с емкостной трехточ-кой и кварцем, работающим на нечетной механической гармонике (см. рис. 4). Там роль конденсатора С1 контура автогенератора играет параллельный контур C_KL_K. Как уже отмечалось, на частоте генерации f_к контур C_KL_K (см. рис. 4, б) должен иметь емкостное сопротивление, т. е. его резонансная частота f₀ должна быть ниже частоты генерации f_к. Параметры контура следует выбирать та­кими, чтобы его собственная частота равнялась f₀ = = (0,7-0,8)f_к.

Обратимся к рис. 5, б. На частоте w_к имеется результи­рующая емкостная проводимость В = w_кС_экв = w_кС_к — 1/w_KL_K. Обычно величина индуктивности L_H обуслов-

лена конструктивными соображениями. Величину С_экг, берут равной емкости конденсатора С1, определяемой по методам, изложенным ранее. После этого получим:

Обобщенную емкость контура С._к (в пФ) можно опре­делить, задавшись индуктивностью L_K (в мкГ), по фор­муле

Рис. 6. Схемы подключения внешней нагрузки к кварцевому генера­тору:

а — индуктивная; б — автотрансформаторная; е — емкостная

Конкретная емкость конденсатора С_к, подпаиваемого к катушке L_K, будет равна

C_К = C_К — C_ВЫХ — C_МОНТ— C_BHOC.

При определении С_внос исходят от характера подклю­чения буферного каскада к автогенератору. Возможны три варианта подключений внешней нагрузки (рис. 6) — ин­дуктивная, автотрансформаторная и внешнеемкостная.

Связь с нагрузкой выбирается из условия оптимально­го согласования:

где K_вкл — коэффициент включения (коэффициент транс­формации);

R_H — сопротивление нагрузки; Roe — эквивалентное сопротивление контура,

здесь R — активное сопротивление контура.

Известно, что при индуктивной связи с нагрузкой мак­симальное выходное напряжение будет при отношений L₃/L₂ = 0,15 — 0,2. Катушку L3 следует располагать между витками катушки L2. При автотрансформаторной и внеш-

цеемкостной связи с нагрузкой коэффициент включений берется равным 0,1 — 0,3.

Вносимая в контур емкость со стороны нагрузки:

С_вносим = K²_вклC_н.

Если подключение нагрузки индуктивное, то для опре­деления параметров контура используется формула

где Ктр — коэффициент трансформации;

L₃ — индуктивность связи с нагрузкой;

L₂ — индуктивность контура, например, для частоты

в пределах 20 — 30 МГц выбирают 0,6 мкГ; Kсв — коэффициент связи между индуктивностями, определяется по формуле

здесь М — взаимная индуктивность

где L_согл — суммарная индуктивность при согласном по­следовательном включении индуктивностей; L_встр — суммарная индуктивность при встречном по­следовательном включении индуктивностей.

Необходимую расстройку контура для обеспечения ус­тойчивой генерации можно определить и опытным путем, задавшись индуктивностью катушки L2 и коэффициентом связи с нагрузкой. Используя генератор в режиме усили­теля на частоте генерации, изменяя С_КОНТ, снимаем зави­симость выходного напряжения от величины емкости С_КОНТ. Определив максимум напряжения на контуре, меняем С_КОНT в сторону увеличения до тех пор, пока выходное напря­жение уменьшится на 30% от максимального. Необходимо, чтобы добротность катушки L₂ была не хуже 50.

Рис. 7. Эквивалент­ная схема кварце­вого генератора с кварцем в индук­тивной ветви ем­костной трехточки

Кварцевые генераторы, собираемые по осцилляторным схемам, имеют узкие пределы регулировки номинала ра­бочей частоты. Следует иметь в виду и то, что обычно квар­цевые резонаторы при изготовлении регулируются в схе­мах последовательного резонанса. Из схем генераторов с кварцем, работающим вблизи последовательного резонанса, представляют интерес схемы с квар­цем в контуре, хотя существуют еще схе­мы и с кварцем в цепи обратной связи. Чем же интересна схема с кварцем в контуре? Положительным ее качеством является возможность подстройки часто­ты с помощью внешних элементов. При­чем возможная зона подстройки частоты наибольшая по сравнению с другими схемами кварцевых генераторов.

Рассмотрим схемы генераторов с квар­цем в контуре, предназначенных для ге­нерации с частотами в пределах 5 — 50 МГц. На рис. 7 приведена схема ге­нератора с емкостной трехточкой и с кварцем в индуктив­ной ветви контура L1C_T.

Емкость С_г контура генератора составлена из последо­вательно соединенных емкостей конденсаторов С1 и С2:

Генерация происходит на частоте, близкой к частоте по­следовательного резонанса кварца, у которого в этом слу­чае общее сопротивление носит активный характер и мини­мально. С помощью индуктивности L1 (при перекрытии по индуктивности не менее чем в два раза) удается подстра­ивать частоту генерации в пределах ± (20 — 50) 10~ от номинального значения. Индуктивность катушки L1 (в мкГ) определяется по формуле

где С_х и С₂ — емкости конденсаторов в пФ; f_к — частота в МГц.

Рис. 8. Принципиальные схемы кварцевого генератора последователь­ного резонанса: а — без управляющего конденсатора; б — с управляющим конденсатором

На рис. 8 приведены схемы генераторов последователь­ного резонанса. Обе схемы имеют эквивалентную схему, приведенную на рис. 7, только в схеме на рис. 8, б последо­вательно с катушкой L1 включен конденсатор С_у, образуя с ней последовательный контур, который должен быть настроен на частоту ниже частоты генерации. В результате на частоте генерации f_к контур L1 С_у будет иметь индуктив­ное сопротивление (см. рис. 5). Конденсатор С_у может быть включен и в схеме на рис. 8, а вместо разделительного кон­денсатора С_р. Контур ЫС_у включают последовательно с кварцем в тех случаях, когда требуется перестраивать частоту генератора в более широких пределах. Практиче­ски в таком случае удается увеличить подстройку частоты в 3 раза [± (60 — 150) 10^-6 f_к]. Для этого увеличивается значение индуктивности также в 3 раза и включается кон­денсатор С_у такой емкости, при которой кварц возбуждает­ся вблизи последовательного резонанса. С помощью кон­денсатора С_у можно грубо установить номинальную час­тоту генерации, а с помощью подстройки сердечником ин­дуктивности L1 осуществить точную настройку частоты ге­нерации. В генераторе (рис. 8, б), где кварц работает на механической гармонике, пределы перестройки частоты с помощью только одной катушки Ы, включенной последо­вательно с кварцем, меньше чем на его основной частоте. Практически с помощью одной катушки индуктивности U удается перестраивать частоту генерации в пределах ± 15 10~~^б. Для увеличения пределов перестройки часто­ты генерации индуктивность, ориентировочное значение которой предварительно рассчитывают, увеличивают в 2 — 3 раза и последовательно с ней включают конденсатор Су такой емкости, при которой кварц возбуждается вблизи Последовательного резонанса механической гармоники. Практически в этом случае удается подстраивать частоту ^Генерации в пределах ± 30 10~⁶. Параллельный контур L2C_K с учетом вносимых в него емкостей выполняет роль конденсатора С1 в схемах емкостной трехточки (см. рис. 4).

Сопротивление резистора R_m определяется по формуле

где R_m — измерено в Ом; f_к — в МГц; С_о — в пФ.

Резистор R_m, шунтирующий кварц, предназначен для предотвращения паразитных колебаний, обусловленных индуктивностью L1 и статической емкостью кварца С_о. В остальном расчет генератора с кварцем в контуре не от­личается от расчета обычного генератора по схеме емкост­ной трехточки.

А. Дьяков

ЛИТЕРАТУРА

Ярославский М. И., Смагин А. Г. Конструирование, изготовление и применение кварцевых резонаторов. — М. : Энергия, 1971.

Богачев В. М. Расчет каскадов полупроводниковых передатчиков. — МЭИ имени Ленина, 1964.

Плонский А. Ф. и др. Транзисторные автогенераторы метровых волн, стабилизированные на механических гармониках кварца. — М.: Связь, 1969.

Скрипников Ю. Ф. Колебательный контур. — М.: Энергия, МРБ, вып. 739, 1970.

Предлагаю ознакомиться с аналогичными статьями: