книги из ГПНТБ / Альтшуллер Г.Б. Кварцевая стабилизация частоты

Кварцевый резонатор /<н2 может работать в индуктивной трех­ точечной схеме при индуктивной реакции контура; при этом квар­ цевый резонатор /\н, не возбуждается и представляет собой стати­ ческую емкость.

Контур следует перестраивать так. чтобы он был достаточно расстроен от соответствующих частот кварцевых резонаторов для получения повышенной стабильности частоты.

Рис. S.19. Схема кварценого ге­ нератора с фазовом селекцией частот

Рис. 8.20. Схема кварцевого гене­ ратора с фазовой селекцией час­ тот кварцевых резонаторов, рабо­ тающих на механических гармо­ никах

При работе кварцевых резонаторов на механических гармони­ ках использование схемы рис. 8.19 нецелесообразно из-за трудно­ сти возбуждения в ней кварцевых резонаторов.

С'.хема рис. 8.20 является модернизацией схемы рис. 8.19 с вве­ дением нейтрализации статической емкости кварцевого резонато­ ра. Такая схема с одним кварцевым резонатором описана в [120]. Роль нейтродинной емкости в схеме рис. 8.20 играет статическая емкость кварцевою резонатора, не работающего в данный момент. Для более точной настройки цепи нейтрализации в случае разли­ чия статических емкостей кварцевых резонаторов с учетом параштных емкостей схемы бывает целесообразно включение подстро­ ечного конденсатора небольшой емкости параллельно одному из кварцевых резонаторов. Переход с одной частоты на другую осу­ ществляется изменением управляющего напряжения на диоде Д\, образующего совместно с индуктивностью Д контур. Для повы­ шения стабильности частоты целесообразно работать при больших расстройках контура относительно частот кварцевых резонаторов.

Схемы с бесконтактным переключением двух кварцевых резо­ наторов просты в регулировке п надежны в работе.

Для коммутации кварцевых резонаторов, работающих на ме­ ханических гармониках в широком диапазоне частот, необходимо кроме переключения резонаторов, перестроить контуры, а часто и цепи компенсации или нейтрализации статической емкости кварце­ вых резонаторов. Это затрудняет создание кварцевых геператооов с электронной коммутацией кварцевых резонаторов, снижает их

надежность. Особенно трудно проектирование дистанционно-ком- мутмрован'ных кварцевых генераторов, работающих в таком ши­ роком диапазоне частот, который требует применения кварцевых генераторов, работающих как на основной частоте, так и на меха­ нических гармониках. В этом случае целесообразна схема кварце­ вого возбудителя, показанная на рис. 8.21. В этой схеме каждая’ фиксированная частота генериру­ ется отдельным генератором; ча­ стоты переключаются подачей напряжения питания только на генератор определенной частоты.

Генераторы связаны с общей на­ грузкой через полупроводнико­ вые диоды Д 1—Д ь причем при по­ даче на генератор напряжения питания требуемой частотой от­ крывается один только полупро­ водниковый диод, связывающий данный генератор с нагрузкой. Остальные . диоды заперты на­ пряжением на сопротивлении R п. Запертые диоды практически полностью исключают влияние контуров неработающих генера­ торов на работающий.

Таким образом, переход с од­ ной частоты на другую осуществ­ ляется коммутацией всего одной цепи постоянного тока. Следует отметить большую простоту на­ стройки таких возбудителен, так

как настройка сводится к регули­ генераторов ровке каждого кварцевого гене­

ратора на одну частоту, что не вызывает затруднений. Количество генераторов в возбудителе может быть достаточно большим. От­ дельные генераторы могут быть собраны по различным схемам, а кварцевые резонаторы могут работать на различных механических гармониках. На рис. 8.21 изображена схема возбудителя, в кото­ ром первый генератор работает на основной частоте без контура, второй— работает на механической гармонике кварцевого резона­ тора без компенсации и нейтрализации статической емкости квар­ цевого резонатора, третий — работает с использованием механи­ ческой гармоники кварцевого резонатора с компенсацией стати­ ческой емкости кварцевого резонатора, четвертый — с нейтрали­ зацией статической емкости кварцевого резонатора. Эксперимен­ тально такой возбудитель проверен при работе генераторов на ча­ стотах 10; 16 МГц по основной гармонике, 30; 55 МГц при работе на третьей механической гармонике, 65 и 75 МГц при работе на пятой механической гармонике.

151,

Схемы кварцевых генераторов с электронной коммутацией ча­ стот широко применяются в современной радиоаппаратуре.

8 .7 .	С Х Е М Ы Н А Т У Н Н Е Л Ь Н Ы Х Д И О Д А Х
	В некоторых случаях кварцевые генераторы выполняются на
туннельных диодах. Возможность создания генераторов па тун­

нельных диодах обусловливается наличием при определенных на­ пряжениях смещения падающего участка вольтамперпой харак­ теристики туннельного диода, т. е. наличием отрицательного дпф- ■ферепциального сопротивления.

Кварцевые генераторы на туннельных диодах рассмотрены в [126]. Рассмотрим кратко параметры туннельных диодов. Эти па­ раметры существенно зависят от основного материала, из которо­ го изготовляется диод. В кварцевых генераторах в основном ис­ пользуются туннельные диоды из арсенида галлия п германия (табл. 8 Л).

Табл иц а

8.1

Основные параметры некоторых туннельных диодов

Тип тун­

^ nt'lX

^max

и тах

С пФ

Тип тун­

^max

^max

^ max

С пФ

нельных

нельных

ДИОДОВ

мА

m in

м В

диодов

мД

^min

мВ

Г И 302

А 1 ,7 - 2 ,3

>4,5

■ 60

<80

АИ 301 А

9

> 8

<180

<12

П1 302

Б 4,3 —5,8

> 4 ,5

60

<150

АП 301

Б

5

> 8

<180

<25

ГИ 302

В 8.5

11.5 > 4 . 5

<60

<180

АН 301

В

5

> 8

■ 18С

<25

ГИ 302

Г

13-

17

>4 .5

<60

<2С0

АП 301

Г

10

> 8

<180

<50

Обратимся к рис. 8.22. Пунктирной	кривой показана	характе­
ристика обычных диодов. Рассмотрим	характерные	точки на
вольтамперной характеристике туннельных диодов:		— макси-

ристика туннельных диодов	пых диодов:
	а ) полная; б ) укрошенили

мальный туннельный ток; Ui — напряжение, при котором туннель­ ный ток максимален; — минимальный туннельный ток; U2 — напряжение, при котором туннельный ток минимален.

Начальная рабочая точка выбирается на падающем участкеьольтамперной характеристики туннельного диода. Целесообраз­ но выбирать начальную рабочую точку в области точки перегиба,, так как эта точка соответствует минимуму отрицательного сопро­ тивления, обеспечивая мягкий режим самовозбуждения генерато­ ра. В прецизионных кварцевых генераторах целесообразно рабо­ тать несколько левее точки перегиба, так как при этом эквива­

лентные	параметры туннельного		диода	(дифференциальное отри­
цательное сопротивление		и	емкость	перехода Сд) более ста­
бильны,	чем на участке,	расположенном		правее точки перегиба,,

где большее влияние приобретает избыточный ток.

Следует отметить более высокую стабильность параметров тун­ нельных диодов в широком интервале температур по сравнению с- полупроводниковыми приборами. Относительное изменение харак­ терных точек вольтамперной характеристики туннельных диодов; из арсенида галлия составляет в процентном выражении на каж­

дый градус изменения температуры:				для тока 1тах ±(0,05—0,1),.
для тока	(0,1—0,3), для напряжения				(0,03—0,1), для на­
пряжения U2 (0,1—0,3), для величины дифференциального сопро­
тивления — менее 0 ,0 1 .
Также незначительно изменение характеристик туннельных ди­
одов под действием радиации.
Рассмотрим схему рис. 8.23. В этой схеме					/?д — отрицательное-
дифференциальное			сопротивление туннельного диода; Сд — ем­
кость перехода;		L„ — индуктивность		выводов	диода; Ra — сопро­
тивление	потерь	и	Сп — паразитная	емкость	выводов и корпуса-

диода. Схема рис. 8.23 справедлива до очень высоких частот — по­ рядка Ю7 МГц. Для области частот до 100 МГц, на которых в ос­ новном п используются кварцевые генераторы, можно применять схему 8.236. Следует отметить, что эквивалентные параметры схе­ мы рис. 8.236 характеризуют туннельный диод в режиме малых колебаний, в частности, они определяют условия самовозбужденияколебаний.

В установившемся режиме колебаний, близких к гармониче­ ским (что обеспечивается высокой добротностью кварцевых резо­ наторов), туннельный диод характеризуется средним отрицатель­ ным сопротивлением (приведенным для первой гармоники) ДДСр=

— Um т. д//|т.д и эквивалентной емкостью туннельного диода Сд,. зависящей от амплитуды колебаний. Удобнее пользоваться сред­ ней крутизной туннельного диода

С с р = 1 1 / - Я д с р | .

(8 -2 7 >'

Средняя крутизна характеристики туннельного диода представля­ ет собой его усредненную проводимость.

В пределах падающего участка вольтамперной характеристи­ ки туннельного диода диффузионный: ток мал и поэтому емкость диода

•5д =-;СД01 / Фр/(Фр- £ ) ,

(8.28>

153-

где Сд0 — емкость туннельного диода при отсутствии напряжения; <рр — контактная разность потенциалов.

При напряжении на туннельном диоде U= E„+ Umт. д cos cot емкость может быть определена из (8.28)

■Сд (») =	Сд >Чфр— #„)/[фр— (£„ + U„, т.д cos© 0 1 .		(8-29)
где Сд — емкость		туннельного диода при напряжении	£„•
Усредненную емкость по первой гармонике можно определить
как	Я
-Сдср =	-^гСд |l	(фр—£|,)Дфр— (£ц+ ^шт-дСО5С0/)].	(8.30)
	о

Анализ выражения (8.30) показал, что Сдс.р^:Сд во всех слу­ чаях, кроме определения нестабильности частоты генератора иа туннельном диоде.

Для обеспечения работы генератора на падающей ветви вольтамперпой характеристики необходимо, чтобы напряжение иа тун­ нельный диод подавалось от источника постоянного тока с малым внутренним сопротивлением. Величина сопротивления цепи пита­ ния туннельного диода по постоянному току Яп. т должна удовле­ творять условию

Я„. т<:Яд|= I.S.

(8.31)

При выполнении условия (8.31) результирующая проводимость параллельного соединения Яп. т и \Яц\ положительна и режим устойчив. Этот случай показан на рис. 8.32 (кривая а). Если ус­ ловие (8.31) не выполняется (рис. 8.22, кривая б), то происходит лавинообразное изменение режима. Для выполнения условия (8.31) необходима специальная схема напряжения питания па туннельном диоде. Обычно напряжение питания радиоаппарату­ ры G- -24 В, а необходимое напряжение питания туннельного дио­ да составляет несколько десятых долей вольта, поэтому прихо­ дится использовать ппэкоомпый потенциометр с малыми сопро­ тивлениями Я, п Я<

.Я„. Т - Яг /?«/(/?, R«) т Ясх < |Яд|.	(8-32)
где Я™ — сопротивление части схемы	генератора, через которое

осуществляется питание туннельного диода по постоянному току. Эта особенность питания значительно увеличивает потребление генератора па туннельном диоде. Необходимо такое построение схемы, чтобы ннзкоомный потенциометр не вносил потерь в квар­ цевый генератор.

Для возникновения колебаний в генераторе на туннельном ди­ оде должно удовлетворяться условие

Л к » > | Я д1А | =

где	Zimn — эквивалентное сопротивление схемы	генератора с уче­
том	сопротивления емкости туннельного диода	Ха относительно
выводов туннельного диода.

Условие самовозбуждения генератора на туннельном диоде

5 Z 3KB>	1 .		(8 .3 4 )»
Условие	стационарного режима для генератора		на туннельном
диоде
■^ЭКП = |ДдсР|= V ^ cp -			(8.35),
Удобнее условие стационарного режима (8.35)			записать в виде
5ср2 экв= 1 .			(8.36),
Для существования устойчивого режима колебаний необходи­
мо. чтобы		крутизна 5 ср уменьшалась с ростом амплитуды колеба­
ний, т. е.		производная средней крутизны по амплитуде колебаний
была меньше нуля:
d S cp/d U < 0.			(8.37),

Уравнение (8.36) аналогично уравнению стационарного режи­ ма генератора на транзисторах, только в уравнении для генерато­ ра на туннельном диоде вместо управляющего сопротивления ге­ нератора стоит эквивалентное сопротивление контура. По анало­ гии будем называть величину Z3I{B управляющим сопротивлением’ генератора на туннельном диоде ZyT. д.

Существует большое число схем кварцевых генераторов натуннельных диодах. Рассмотрим схему кварцевого генератора на, туннельном диоде (рис. 8.24).

Рис. 8.24. Схемы генераторов на туннельных диодах с кварцевым резонато­ ром в емкостной ветви колебательного контура

Кварцевый резонатор вместе с управляющим элементом в этих: схемах включен последовательно в емкостную ветвь контура. Ве­ личина сопротивления Rp выбирается так, чтобы кварцевый гене­ ратор не возбуждался через статическую емкость кварцевого ре­ зонатора и без него. Напряжение питания на туннельный диод по­ дается при помощи потенциометров Ri и R2. Для выполнения усло-. впя (8.31) необходимо

Rn. т = Ri R2/(Ri “Ь R2) “Ь

^ |Яд|.

Эквивалентные схемы генератора на туннельном диоде с квар­ цевым резонатором в емкостной цепи контура показаны на.

рис. 8.25.

155-

На рис. 8.25 Z'L соответствует сопротивлению индуктивности L с учетом емкости Сд:

. z ; ^ z l zrhzl + z j --R'l

где

—	I Ад :	■i 1 со C; Zr = i Xr\ Z.ун	D	j _	; у
			*'ун	г	‘ л уц1
7"	T	1 *„■
			В)

Рис. 8.25. Эквивалентные схемы генератора на туннель­ ном диоде с кпарнепмм резонатором и емкостной ветви колебательного контура

Эквивалентное сопротивление контура

:zv 7 _	ZLI zKB	Zун	Zq\
		Z\к •Zc
?L	- i A-£ I \I	Rkr — Л'ун)		• i I A'l(n — Ay„ A"c |]	.38)
				(8
I	"■ ^кп -	^ y Hl	' I ' V	j ' '^kd 0 + Л С T- A'yn)

Подставляя выражение (8.38) в ур-нне (8.36), получаем следую­ щее выражение:

S.	I	' *	-V . ) [(	* к »	*У „| ”		' I А’кв	" Э'ун л	A'c	i|	(8.39)
	(	Rl	RKB +	Ryн I	i (XL -r -VKD			Xc +	Ayn)
Это уравнение удобнее представить в виде
-А'р (		’ X-l ) fЯка			^унI	~	М * кв ~Ь Ауп + Ас ) j
~ Я [		я;;„	к ун!		ч * ; .	+	х ; в +	х с X Ау„,		- 0.	(8.40)

Разделив мнимую и действительную части ур-ния (8.40), полу­ чаем выражения, определяющие частотные и амплитудные соот­ ношения в кварцевом генераторе на туннельном диоде с кварце­ вым резонатором в емкостной цепи контура.

Выражение, характеризующее частотные соотношения в квар­ цевом генераторе, имеет вид

■Sep I ^	/. I Якв ^ун ) "l~ 1Хвв ~	^ун ) ]
-< х;.	:- x ^ - x ; „ - : - x vl, ) - o .	(8.41)

Ьг>4

Выражение, характеризующее амплитудные соотношения в кварцевом генераторе, имеет вид

^ср [R'l ( К в + R y » ) - x L l K a +

* с + *уи)] - ( * , ' + К » +

Ryu)

= 0.

(8.42)

Рассмотрим

подробнее

частотные

соотношения

в кварцевом

генераторе на туннельном диоде.

Подставим

значение средней крутизны

туннельного диода из

выражения (8.41) в выражение (8.40):

+

х с +

-Хун— { к в+

r 'l+ Ryi>) х

.

X L

( *кп + Яун) - f

Rl (Xkb+ Xc + Xy„ )

= 0.

(8.43)

K ’l ( K *

*y..) -

в +

* c + *ун )

К

[ <

Переходя к приведенным значениям сопротивлений, после не

которых преобразований получаем

(8.44)

Лкв + Л7. +

Х С + Л'уп _

( 'к в

+

r L

+ ' у " )

t g

фэн =

где

^фэн

XL ( Гкв +

/'ун) +

r L (

*кп +

ХУ» +

ХС )

(8.45)

rL ( Гк>

' ун) ~

X L ( х к в + А'ун + Хс )

Подставляя в выражение (8.45) значения

Лкв ~

Гкв ~

/’1(В [ ^

(

'Vi.

~Ь ЛС +

•*'ун ) 2]

И

Л' к п ~ \ в ~ - 1 4 + ^С + Л'ун).

получаем следующее

выражение для

определения tgcpnH:

_

XL { r KB [ 1 ~ ( XL + ХС

А'у и )~ j } ~ r L ХL

(8.46)

t g

ф эн

r L { ГКВ [ 1 -

( X L +

Л-с

+

.Гун )2 ] }

x 'l ~

Введем

понятие

полного

приведенного

эквивалентного

реак­

тивного сопротивления генератора на туннельных диодах лу поли т . д-'

л'г ПОЛИ т . д = XL+ А'с + -Т у ,,— ( rL- f Г у н ) t g Срэ „ .

( 8 . 4 7 )

Тогда ур-нне (8.44), характеризующее частотные соотношения в кварцевом генераторе на туннельных диодах, примет вид

Ак в - 'кв tg Фэн + * г П0Л(, т. д = 0.

(8.48)

Это уравнение, аналогичное ур-пию (6.26), имеет решение при малых значениях /-КВ<С 1 в виде

ЛГ ПОЛИ Т .	Г ,	ЛГ ПОЛИ д . т	tg фэн + Г к в ( Г к в + t g ф эн ) 1	1
	Д| ^
е =
		’ ХГПОЛИ Т.	tg фэн
			Д I ^
		tg T 3 H		(8.49)
■ г кв (гкв +	tg Фэн) (	1 Т"

157

При малых величинах 1/гр< 1 и гкв< 1 можно получить из (8.49) следующее простое выражение для определения расстройки и ча­ стоты генератора на туннельных диодах с точностью, достаточной для практических расчетов:

6 = ХтПОЛИТ. Д/(1 -'•гПОЛИт. д )• (8.50)

При определении составляющих нестабильности частоты сле­ дует пользоваться выражением (8.49).

Теперь рассмотрим амплитудные соотношения. Из выражения (8.42) с учетом выражения (8.35) получаем следующее выраже­ ние для управляющего сопротивления кварцевого генератора на туннельном диоде:

	I	— X L ( А'кп +		Хс +	Аун) -|- Rl ( /?кп 1- Ryn)
т. д —				+ ^нв + &У»
	«Ьср
- - V ' X , -м-с-нХун)					4- /?ун)	(8.51)
	*L~r Д<в	Rун			XL (Лкв + Хс -|- Хуп )
Преобразуем выражение				(8.51)	с учетом того, что X'L	- ( * ' Л-
-l-AV + .Vyi,), и получим
RУт. д		1 —	( Д<в 4~*У )			(8.52)
	2 Я				х ун)
		xl (,хкв т а'с

где —R ^ R'i_-\-R кв+/^уц.

Рассмотрим теперь схемы генераторов на туннельных диодах с кварцевым резонатором, включенным в индуктивную ветвь коле­ бательного контура (рис. 8.26).

Рис. 8.26. Схемы генераторов на туннельных диодах с кварцевым резонато­ ром в индуктивной ветви колебательного контура

Пх особенность в том, что напряжение питания на туннельный диод подается через сопротивление Rp и через реактивное сопро­ тивление Ху. Для выполнения условия (8.31) в этих схемах не­ обходимо

Ru. т R 1R A R i -г R2) -г R p + Ryu < \Ra\-

(8.53)

158

Это условие ограничивает величину сопротивления Rp и затруд­ няет управление частотой сопротивлением Ху. Схемы на туннель­ ных диодах работают вблизи последовательного резонанса. При применении в качестве управляющего элемента емкости она дол­ жна быть шунтирована дросселем.

Эквивалентные схемы генератора на туннельном диоде с квар­ цевым резонатором в индуктивной ветви контура показаны на рис. 8.27.

Ф г

5 0

Рис. 8.27. Эквивалентные схе­ мы генератора на туннельном диоде с кварцевым резонато­ ром в индуктивной ветви ко­ лебательного контура

Па рис. 8.27 обозначения сопротивлений соответствуют:

Z'	= — Са~ с—				= i X' = — i --------!------			;
		zcp. - |- 7_с				и (Сд 4- С)
Z,					Zyu = ^?у1|	i Xyin	Z"	= R"	\x:
Эквивалентное сопротивление контура
7	_	7	_	Z C (	Z k b 'Ь Zyn +	ZL )
L y	— Z/3KD —			;	~	—
				Z C + Zkb + Z Y " + Z L
	_	X c	[ (	RKB +	R L + Ryn) +	1 (-У кв + -Уун +		X L ) ]	^
		[	+	-^кв +	Я ун) + ' (-^KB 4- X yH +		X L +	x c )

Из (8.36) можно получить выражения, характеризуюц£ие ча­ стотные и амплитудные соотношения в генераторе на туннельном диоде с кварцевым резонатором в индуктивной ветви контура.

Частотные соотношения характеризует выражение

ScpХс [R'kb +	RyH-f Rl ) — (Х'с +	X'L + Х"кв + Хуп) = 0.	(8.55)
Амплитудные соотношения характеризует выражение
5 ср Хс (Хкв +	XL -)- Хун) + [Rl +	R^B+ RyH) = 0.	(8.56)

159