Схемы автогенераторов с колебательными контурами

Обобщенную схему автогенератора на биполярном транзисторе, без цепей питания, можно представить следующим образом (рисунок 5.11а). Здесь Х1, Х2, Х3 реактивные элементы колебательной системы автогенератора с учётом собственных проводимостей АЭ.

 

Рисунок 5.11 – Схемы автогенератора

 

Поскольку частота автоколебаний равна резонансной частоте контура (или близка к ней)

Х1+Х2+Х3=0; Х2+Х3= -Х1 (5.16)

Коэффициент обратной связи

(5.17)

Полагая, что генератор работает на умеренно высоких частотах, можно считать φs = 0. Фазовый угол нагрузки, при тех же условиях, в схеме с общим эмиттером φz =180⁰. Следовательно, для выполнения условия баланса фаз, фазовый сдвиг в цепи обратной связи также должен быть равен 180⁰. На основании (5.16), (5.17) можно сделать вывод, что при этом Х1, Х2 должны бытьс одинаковым знаком, а Х3 с противоположным.

Таким образом, возможны два варианта построения схемы автогенератора. Если Х1, Х2>0 (индуктивности), то Х3<0 (ёмкость); если Х1, Х2<0, то соответственно Х3>0. Варианты схем представлены на рисунке 5.11б,в. Поскольку контур подключен к АЭ тремя точками, схемы этого типа получили название «трехточечные».

Для построения полных схем автогенераторов необходимо в обобщённые схемы включить цепи питания. На рисунке 5.12 представлены соответственно «ёмкостная» (5.12а) и «индуктивная» (5.12б) трёхточечные схемы. В схеме 5.12а используется параллельная схема питания коллекторной цепи через дроссель Lбл. Роль индуктивности L3 здесь выполняет цепь L0,C0.

Рисунок 5.12 – Схемы автогенераторов

Добавление ёмкости Со обеспечивает частичное подключение контура к транзистору. Это необходимо для ослабления связи с АЭ, т.к. активная составляющая его междуэлектродной проводимости снижает добротность контура и соответственно фиксирующую способность автогенератора. Одновременно уменьшается влияние паразитной ёмкости транзистора на стабильность резонансной частоты контура.

В индуктивной трёхточечной схеме (рисунок 5.12б) используется последовательная схема питания коллекторной цепи через индуктивность контура L1. Цепь L0,C0 выполняет те же функции, что и в предыдущей схеме, являясь эквивалентной ёмкостью С3.

Конденсатор Ср – разделительный. Он исключает непосредственное подключение к базе напряжения источника Ек.

На повышенных частотах, где пренебречь фазовым углом φs уже невозможно, возникают проблемы, связанные с тем, что при сохранении баланса фаз, контур автогенератора оказывается расстроенным. Действительно, баланс фаз сохраняется, т.к. возникающее при расстройке приращение фазового сдвига в нагрузочной цепи (Δφz) компенсирует величину φs. Однако расстройка контура приводит к уменьшению | Zк| и снижению электронного к.п.д. генератора. Кроме того, на повышенных частотах падает величина Sср, т.к. она у биполярного транзистора непосредственно связана с коэффициентом усиления по току |β|. В результате колебания могут не возникнуть вследствие нарушения баланса амплитуд. Наконец, при расстройке контура существенно падает крутизна фазовой характеристики φ^/z (см. рисунок 3.26) и, следовательно, фиксирующая способность автогенератора.

Для устранения этих последствий в цепь эмиттера (см.рисунок 5.12б) включается корректирующая цепочка Rк,Cк, которая компенсирует φs и обеспечивает работу автогенератора на частоте близкой к резонансной частоте контура. Расчет корректирующей цепи можно найти в [ 7].

 

Варианты схем автогенераторов не исчерпываются схемами, представленными на рисунке 5.12. Схемы могут существенно видоизменяться в зависимости от выбранной точки заземления; в них могут отсутствовать контурные конденсаторы, если в их качестве используются междуэлектродные емкости АЭ; возможны иные варианты подачи напряжения смещения и обратной связи [ 4, 5, 7].

Достаточно широкое применение находят автогенераторы, построенные на электронных приборах с отрицательным динамическим сопротивлением (туннельные диоды, диоды Гана). Типичная характеристика таких приборов представлена на рисунке 5.13а. Между точками a и с на этой характеристике имеется участок с отрицательной крутизной. На этом участке сопротивление диода переменному току отрицательно, поэтому если к диоду подключить колебательный контур, потери в нём могут быть компенсированы и возникнут незатухающие колебания.

 

Рисунок 5.13 – Автогенератор на туннельном диоде

 

Поскольку АЭ в этом случае двухэлектродный, коэффициент обратной связи К=1, и уравнение баланса амплитуд принимает вид

( 5.18 )

Здесь Sср – крутизна падающего участка характеристики диода. Эта величина обратна внутреннему сопротивлению диода Rд = 1/Sср,поэтому условие (5.18)принимает вид

(5.19)

Для выполнения этого условия, нагрузочная характеристика генератора должна проходить через точки а,б,с (см. рисунок 5.13а). Однако, если к диоду просто подключить нагрузку с сопротивлением Rн, то при включении источника питания установится режим соответствующий точке «а», где сопротивление диода положительно и не компенсирует потери в контуре. Для возникновения колебаний необходимо, чтобы после включения источника устанавливался режим точки «b». Но в этом случае сопротивление нагрузки должно соответствовать R0, и условие баланса амплитуд выполнено не будет, т.к.

R0 < Rд (5.20)

Для разрешения этого противоречия сопротивление нагрузки по постоянному току должно удовлетворять условию (5.20), а по переменному – (5.19). Один из возможных вариантов схемы автогенератора на туннельном диоде представлен на рисунке 5.13б. Здесь нагрузочный контур выполнен в виде электрического моста так, что

При этом резистор R2 включен в диагональ моста и не зависимо от величины своего сопротивления не оказывает влияния на добротность контура и его эквивалентного сопротивления Rн. Резистор R1 через источник питания шунтирует нагрузочный контур, поэтому необходимо выполнить условие R1>>Rн.

Если R2 выбрать меньше Rд, то сопротивление нагрузки по постоянному току будет равно , что соответствует условию (5.20).

Транзисторные автогенераторы не могут работать в условиях жесткого радиационного облучения (например, в аппаратуре космических объектов), т.к. при этом p-n переходы утрачивают свои свойства. Диод с отрицательным сопротивлением, в отличие от транзистора, работает только в открытом состоянии и утрата свойств p-n перехода для него не имеет значения.

 

Кварцевые автогенераторы

Кварцевый резонатор

Как следует из материалов раздела 5.4, стабильность частоты автогенераторов с колебательным контуром, как правило, не достаточна для формирования сигналов опорной частоты, поэтому для этих целей применяются автогенераторы с кварцевой колебательной системой. Кварцевая колебательная система (кварцевый резонатор) в простейшем случае представляет собой пластинку, вырезанную из кристалла кварца и помещённую между обкладками плоского конденсатора. Природный (или выращенный искусственно) кристалл кварца представляет собой шестигранную призму (см. рисунок 5.14), у которой имеется три типа осей симметрии – оптическая ZZ^/, механические YY^/ и электрические ХХ^/. Поскольку кристаллический кварц представляет собой анизотропное вещество, свойства которого зависят от направления среза по отношению к осям симметрии, выбором типа среза определяется температурный диапазон резонатора, в котором он обеспечивает наибольшую стабильность частоты.

Замечательным свойством кварца является пьезоэлектрический эффект, который заключается в возникновении на его гранях электрического заряда под действием приложенного механического усилия, например, сжатия или растяжения. Причём, знак заряда изменяется на противоположный при изменении направления приложенной силы (сжатия на растяжение). Это явление получило название «прямой пьезоэлектрический эффект».

В кварцевом резонаторе используется обратный пьезоэлектрический эффект, при котором электрическое напряжение, приложенное к обкладкам его конденсатора, вызывает механическую деформацию, соответствующую направлению электрического поля. Если к резонатору приложено переменное напряжение, то пластина

резонатора начинает колебаться и, как у любого твёрдого тела, при этом возможно проявление механического резонанса, заключающегося в резком увеличении амплитуды колебаний на определённой частоте, которая зависит от геометрических размеров пластины кварца. Например, резонанс наступает, если вдоль толщины пластины d укладывается нечётное число полуволн механической деформации Δ (см. рисунок 5.15). При четном числе механических полуволн, разность потенциалов на обкладках резонатора отсутствует, и колебания не возбуждаются.

 

Рисунок 5.15 – Механический резонанс в кварцевом резонаторе

 

Механическиё резонанс в кварцевой пластине сопровождается резонансом во внешней электрической цепи, причём, пластина ведёт себя аналогично последовательному резонансному контуру, т.к. в момент резонанса проводимость пластины резко возрастает. Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора, с учётом ёмкости кварцедержателя С0, представлена на рисунке 5.16.

Рисунок 5.16 – Эквивалентная схема кварцевого резонатора

 

Каждый последовательный контур эквивалентной схемы соответствует одной из механических гармоник. Ёмкость С0 образует дополнительные параллельные контуры. Активное сопротивление rq отражает тепловые потери в резонаторе, обусловленные внутренним трением в кристалле r1 и трением кристалла в обкладках конденсатора r0, т.е. rq= r0 + r1.

Электрическое сопротивление резонатора Zq=Rq+jXq в области основной механической гармоники представлено частотной характеристикой на рисунке 5.16. На частотах ниже резонансной реактивное сопротивление резонатора имеет ёмкостный характер; на частоте последовательного резонанса резонатор имеет чисто активное сопротивление равное rq; на частотах выше ω1, но ниже частоты параллельного резонанса , резонатор имеет индуктивный характер. На частоте ω2 наступает резонанс в параллельном контуре. Здесь активная составляющая сопротивления резонатора максимальна. При дальнейшем увеличении частоты, ниже области третьей механической гармоники, сопротивление резонатора в основном определяется ёмкостью обкладок кварцедержателя С0.

Эквивалентный последовательный контур резонатора отличается очень большим характеристическим сопротивлением и относительно малым сопротивлением потерь rq. Поэтому добротность кварцевых резонаторов может составлять величину до 10⁷ единиц. Заметим, что у обычного контура добротность не превышает 400, а у контура на отрезке длинной линии не более 2000. Таким образом, кварцевый резонатор отличается огромной фиксирующей способностью и высокой эталонностью элементов Lq,Cq. Последняя особенность определяется слабой зависимостью линейных размеров кварцевой пластины от температуры, которая является основным дестабилизирующим фактором для кварцевого резонатора.

Другой существенный для резонатора дестабилизирующий фактор обусловлен явлением «старения» кварцевой пластины. С течением времени, под действием механических деформаций, поверхность пластины покрывается микротрещинами, которые снижают её упругие свойства, определяющие эквивалентную емкость Сq. Кроме того, постепенно поверхность пластины загрязняется частицами и молекулами газов, оседающих из окружающей среды. При этом увеличивается масса пластины, которая определяет эквивалентную индуктивность Lq. Другие дестабилизирующие факторы, существенные для обычных контуров, для кварцевого резонатора значения не имеют.

Влияние температуры в высокостабильных кварцевых генераторах устраняют путём помещения кварцевого резонатора (или автогенератора в целом) в термостат. Для прецизионных кварцевых автогенераторов применяют двойные и даже тройные термостаты. Обычно это подогревные термостаты, в которых с высокой точностью поддерживается температура порядка 50-60⁰С. Применяются и реверсивные термостаты, в которых используется как подогрев, так и охлаждение. Такие термостаты способны работать при температуре близкой к температуре окружающей среды, поэтому на их работу требуются минимальные затраты энергии, и их целесообразно использовать в подвижных бортовых электронных устройствах.

Последствия, связанные с явлением старения устраняются помещением кварцевого резонатора в стеклянный или металлический вакуумный баллон. Кроме того, на стадии производства резонаторов, их подвергают процессу искусственного старения, при котором резонатор включается в схему автогенератора и подвергается ускоренному старению при повышенных амплитудах механических деформаций. После такой «тренеровки» и откачки выделившихся газов, параметры резонатора практически не меняются с течением времени в условиях эксплуатации.

Основные резонансные частоты резонатора как правило определяются толщиной пластины, которая уже на частотах 30 – 50 Мгц становится настолько тонкой, что не выдерживает механических деформаций. Поэтому для генерации более высоких частот используют возбуждение резонатора

 

на механических гармониках. Параметры эквивалентной схемы резонатора на механической гармонике в первом приближении определяются следующим образом. Поскольку масса пластины не зависит от частоты, Lqn Lq; упругость пластины существенно зависит от частоты, поэтому Cqn ;

ёмкость кварцедержателя Со от частоты естественно не зависит. Сопротивление тепловых потерь, как отмечалось выше, состоит из двух частей. При этом потери за счёт трения в кварцедержателе от частоты не зависят, а потери на внутреннее трение пропорциональны квадрату частоты. Таким образом, rqn= r0 + r1∙n². Определим добротность резонатора на n- ой механической гармонике

(5.21)

Обычно r0 >> r1, поэтому с увеличением n добротность резонатора сначала растёт, а затем, по мере увеличения знаменателя начинает падать. Максимальное значение Qn достигается при .

При возбуждении кварцевого резонатора в нём могут возникать самые разнообразные типы механических деформаций. Наиболее часто встречающиеся, представлены на рисунке 5.17. Это деформация сдвига, сжатие - растяжение, изгиб, кручение.

Возможность появления какой-либо из них, или сразу нескольких, зависит от способа крепления пластины в кварцедержателе и формы пластины. Причём каждому виду деформации соответствуют свои частоты, которые обычно не совпадают, но могут оказаться достаточно близкими. Это явление под названием «многоволнистость» может привести к скачкообразному изменению частоты автогенератора, если произойдёт смена типа деформации. Такая ситуация крайне не желательна, поэтому конструкцию резонатора стремятся выполнить так, чтобы вероятность многоволнистости была минимальной.

Наиболее часто встречающиеся конструкции резонаторов представлены на рисунке 5.18.

Рисунок 5.18 – Конструкции резонаторов

 

Электроды плоского конденсатора выполняются, как правило, методом напыления металла, мало подверженного окислению (серебро, золото), на поверхность пластины. Сама пластина может вырезаться из кристалла в форме бруска, прямоугольной пластины, диска или линзы. В кварцедержателе пластина подвешивается на струнах или пружинах. Наименее вероятна многоволнистость у резонаторов дисковой и линзовой формы, поэтому в настоящее время они получили наибольшее распространение.