2.3. Автогенераторы со стабилизацией частоты по кварцу

Источники опорных колебаний диапазона частот 1 кГц…100 МГц с кратковременной нестабильностью частоты порядка 10^-5…10^-8 обычно выполняются на основе транзисторных LC-генераторов со стабилизирующим кварцевым резонатором. Имеется обширная научно-техническая литература по схемам включения, особенностям работы и выбора режимов таких автогенераторов [16, 20, 23].

Стабилизирующий частоту резонатор вырезается в виде плоской пластины прямоугольной или круглой формы из искусственного кристалла кварца под определенным углом к его кристаллографическим осям (срезы AT, BT, SL, SC), что позволяет достигнуть термокомпенсации в определённом температурном интервале. Противоположные грани пластины металлизируются, образуя плоский конденсатор со статической ёмкостью С₀, в котором под действием высокочастотного напряжения на обкладках происходят колебания сдвига по толщине пластины с закреплёнными концами. Частота колебаний, при которой на толщине пластины укладывается половина длины волны в кварце, определяется толщиной вырезанной пластины: , где М (1,7…3), МГцмм – размерный коэффициент, зависящий от типа среза, h, мм – толщина пластины. Кварцевые резонаторы могут быть выполнены с низкой резонансной частотой до (1…5) кГц, но пластина резонатора при этом становится излишне громоздкой и массивной, так что целесообразно использовать более высокочастотные резонаторы. Основная резонансная частота кварцевых резонаторов, как правило, не превышает 25…40 МГц, что обусловлено возможностями закрепления сверхтонких пластин пьезокварца. В дорогих моделях кварцевых резонаторов с особыми срезом (inverted mesa) и непрямоугольной формой основная частота достигает (100…130) МГц. Однако это снижает эквивалентную добротность резонатора и увеличивает частотную нестабильность источника опорных колебаний. Пластины кварцевых резонаторов проявляют резонансные свойства на обертонах с нечётными номерами, когда на той же толщине укладывается три, пять, семь и т.д. полуволн акустических колебаний с входной частотой. Использованием таких механических гармоник кварцевого резонатора можно повысить частоту выходных электрических колебаний кварцевого автогенератора. Использование высоких механических гармоник (седьмой и выше) снижает достижимую стабильность частоты. Вакуумирование кварцевого резонатора повышает его устойчивость к вариациям давления, влажности и снижает фазовые шумы. Специфической особенностью кварцевых резонаторов является эффект их старения. Наибольший дрейф частоты порядка (1…10) ppm наблюдается за первый год, в последующие годы эта величина снижается в 3-5 раз.

Для расчёта автогенератора с кварцевым резонатором (рис. 2.3,а) используют в окрестности выбранной резонансной частоты эквивалентную схему, показанную на рис. 2.3,б, где обозначено: C₀ – ёмкость кварцедержателя; L_кв, С_кв – динамические параметры резонатора, которые характеризуют соответственно инерционные и упругие свойства пластины, r_кв – сопротивление активных потерь в ней. В соответствии с этой схемой активная R_кв() и реактивная X_кв() составляющие последовательной схемы замещения (рис. 2.3,в) изменяются в окрестности резонанса, как показано на рис. 2.4. Колебательный контур на схеме рис. 2.3,б имеет две собственные частоты: частоту последовательного резонанса динамической ветви и частоту параллельного резонанса всего контура Для кварцевых резонаторов обычно С_кв/С₀  10^-3…10^-4, поэтому интервал между указанными частотами очень мал. В различных схемах автогенераторов с кварцевым резонатором [1] используется либо узкий интервал частот между f_кв и f_п, где кварц представляет собой индуктивное сопротивление (вблизи частоты параллельного резонанса f_п), либо интервал частот вблизи частоты последовательного резонанса f_кв, где кварц играет роль малого активного сопротивления порядка r_кв. Приближённо можно считать, что предельно достижимая относительная нестабильность частоты автогенератора с кварцем _к  1/Q_кв² обратно пропорциональна квадрату добротности кварцевого резонатора  10^-4…10^-7.

Рис.2.3.Обозначение кварцевого резонатора (а), его эквивалентная схема вблизи одной из частот (б) механического резонанса и последовательная схема замещения (в)

Номинальное значение частоты параллельного резонанса кварцевого резонатора может быть установлено изготовителем по заказу в пределах нескольких десятком мегагерц с технологической относительной погрешностью в несколько единиц шестого знака. Частота генерации близка к одной из указанных частот – последовательного или параллельного резонанса. Электронное управление частотой генерации кварцевого автогенератора используется либо для небольшой коррекции его номинальной частоты, либо для формирования частотно-модулированного сигнала с небольшой относительной девиацией частоты.

Схема управляемого по частоте кварцевого автогенератора отличается тем, что в её состав введены цепи, изменяющие суммарные значения характерных частот колебательной системы. Чаще всего роль управляемой реактивности выполняет варикап, включаемый последовательно или параллельно с кварцевым резонатором. Тогда параметры эквивалентной схемы, показанной на рис. 2.4,б зависят от смещения на варикапе и оказывают влияние на частоту генерации. Оценочная величина диапазона управления частотой в 10-30 раз превышает нестабильность частоты генератора, работающего в лабораторных условиях. Более широкий диапазон перестройки частоты с умеренной нестабильностью частоты достигается в управляемых кварцевых генераторах, где кварцевый резонатор включён в цепи обратной связи схемы автогенератора. При этом управитель частоты может изменять собственную резонансную частоту основной LC-колебательной трёхточечной схемы автогенератора, а кварцевый резонатор благодаря высокой крутизне и стабильности фазочастотной характеристики цепи обратной связи стабилизирует вариации частоты генерации в пределах своей полосы пропускания. Разработка управляемых кварцевых генераторов всегда представляет собой задачу выбора компромисса между требованиями устойчивости по отношению к внешним дестабилизирующим факторам, диапазону и линейности перестройки при допустимых изменениях мощности выходного сигнала.

Рис. 2.4. Частотные характеристики сопротивлений схемы замещения кварцевого резонатора вблизи собственных частот

Наряду с разработкой автогенераторов с кварцем на различных активных элементах, обладающих совокупностью особых свойств по стабильности, по шумовым свойствам, по возможностям электронного управления частотой, по рабочей частоте со спектром, свободным от паразитных дискретных составляющих, в настоящее время на мировом рынке имеется значительное количество готовых микросхем или микросборок, которые представляют собой автогенераторы с кварцевыми резонаторами. Семейство таких интегральных автогенераторов весьма разветвлённое [51]: наряду с обычными кварцевыми генераторами выделяют: вакуумированные, прецизионные, тактовые, термостабилизированнные, термокомпенсированные с цифровой или микропроцессорной компенсацией, управляемые напряжением по частоте; синхронизированные по фазе. Различия этих групп по характеристикам стабильности и управляемости весьма существенны, а их ценовые показатели различаются в сотни раз.

Продолжительность установления теплового режима кварцевого автогенератора после включения уменьшается в моделях с предварительным прогревом и с внутренним термостатированием для авторегулировки температуры кристалла.

Прецизионные кварцевые генераторы при сравнимых характеристиках по кратковременной нестабильности частоты и по массогабаритным показателям имеют более низкие по сравнению с рубидиевыми стандартами фазовые шумы (см. рис. 2.2). Однако они проигрывают атомным стандартам по долговременной стабильности из-за старения кварца (см. таблицу 2.2). Диапазон изменения частоты резонатора из-за эффекта старения в ряде моделей прецизионных кварцевых генераторов снижается предварительным старением и встроенными устройствами цифровой коррекции номинальной частоты.

Выходная мощность источников опорных колебаний с кварцем ограничена уровнем (1…5) мВт из-за того, что в кристалле высокодобротного резонатора сосредоточена значительная реактивная мощность, так что повышение выходной высокочастотной мощности приводит к недопустимому разогреву кристалла и увеличенному дрейфу частоты.