книги из ГПНТБ / Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет

Точность настройки не хуже ±(20-г-50) • 10"в . Относитель­ ный уход частоты из-за старения у резонаторов в вакуум­ ном исполнении не превышает ±(104-15) • 10~8 за год.

Кварцевые резонаторы Х-среза (xys/a0) (колебания — продольные по длине) применяются в диапазоне частот до 250 кГц с коэффициентом крутизны параболы Ь — (3,5-г- -f-4,5) • Ю - 8 с - 2 . В диапазоне частот свыше 500 кГц приме­ няются также резонаторы среза AT (г/х//В°) с колебаниями — сдвиг по толщине. Применение среза AT (ух1/$°)в этом ди­ апазоне обусловлено в основном возможностью получения малых уходов частоты в широком интервале температур (ТЧХ — кубическая парабола) несмотря на то, что они ме­ ханически менее устойчивы, чем, например, резонаторы сраза ЕТ (малые размеры пьезоэлемента у резонаторов среза ЕТ).

4.2.3.	Кварцевые резонаторы
в диапазоне	частот 850 кГц — 200МГц

Здесь применяются кварцевые резонаторы с пьезоэлементами, совершающими колебания сдвига по толщине и ра­ ботающие как на основной частоте, так и на механических гармониках. В этом диапазоне выпускаются резонаторы двух срезов: AT (yxll$°) и БТ (ухі/ — 6°). Кварцевые резонаторы среза БТ имеют ТЧХ типа параболы с коэффициентом кру­ тизны Ь — —(3,5-т-б) • Ю - 8 с~2 . Срез БТ имеет большой частотный коэффициент N = 2550 кГц/мм (для среза AT N = 1660 кГц/мм). Это позволяет изготавливать пла­ стины резонатора более толстыми чем в резонаторах среза AT, что приводит к уменьшению величины их старения при изготовлении.

Кварцевые резонаторы среза БТ из-за параболического вида ТЧХ обычно применяют для стабилизации частоты тер­ мостатированных автогенераторов. Кварцевые резонаторы среза AT, обладая ТЧХ типа кубической параболы, поз­ воляют обеспечить относительно высокую стабильность частоты в широком интервале температур без термостатирсвания резонатора. Кроме того, кварцевые резонаторы

среза AT имеют лучшее отношение А = С К В / С 0				= (4 -т- 5)10-3 ,
чем	резонаторы со срезом	БТ(А = (1,2 -г- 2,5) 10_ 3 [12], из-за
чего	их применение предпочтительнее для			управляемых
кварцевых резонаторов.		На	механических	гармониках
CKaN	= CKB/N2, где А/ — номер		гармоники.

8 Зак 1056

2Q9

Срез

zyb/ — 2"

xysl+Ъ"

Резонаторы

общего

приме­

нения

Часто­	Форма пьезо-	Номер	Время	Условия	Темпе­
			измере­		ратура
та,	элемента	гармо­	ния,	старения	термо­
кГц		ники	дни	при Т°С	стата,
					°С
24	Прямоугольная	і	1020	Хранение	-
	пластина			15-33
40	Прямоугольная	1	1237	Хранение	69 — 71
	пластина			15-33
100	Прямоугольная	1	1 I 40	Хранение	69 — 71
	пластина			144-30	-
300	Прямоугольная	1	210	65
				Хранение
	пластина			20
				Хранение
425	Прямоугольная	2	687	Рабочий	80
	пластина			режим

2500	Двояковыпуклая	1	150	Хранение
	линза			20	—
				Хранение
				65
12 000	Круглая пластина	1	~300	Хранение	-
				14-=-33

			Т а б л и ц а		4.3
Время уста­	Уход частоты			Время предвари­
новления	вакуумирован-
частоты,	ных резонато­			тельной выдержки
сутки	ров	из-за
	старения			-
850	6 . 1 0 _ в
				-
800	4,8-	1 0 _ в
				-
400-^-600	0,9-1 О - 6
100	± 2 , 3 -	Ю -	6	Сразу	после
100	± 2 , 7 . 10~ 6			изготовления
~400 ч	12,5- Ю -		6
(никелевое	8,5-	! 0 _
покрытие),			6	-
~500 ч ~	22. 10~ в
(серебряное	1 2 ,5 • 10 — 6
покрытие)
~60,	1- Ю - 6			2,5 мес. после
частота не	0 .3510~ 6			изготовления
установилась	3- Ю - 6
	1,5-	10~е
Частота не	— 2210~6			Сразу после
установилась	(герметизи-			И З Г О Т О Д Л Р И И Я
	оованный)

1 14|		15 000 Круглая		пластина	3	~300	Хранение
							144-33
		12 000 Круглая		пластина	1	940	Хранение
							1 44-33
		15 000			3	940	Хранение
							144-33
	AT	1 000	Двояковыпуклая			365	Рабочий
			линза				режим
	AT	5 000	Плосковыпуклая		6	365	Рабочий
			линза				режим
	AT	2 500	Плосковыпуклая		0	30	Рабочий
Прецизи­			линза			20	режим
онные
резонаторы
[13—17]	AT	? 500	Плосковыпуклая		5	365	Рабочий
			линза				режим
	AT	5 000	Плосковыпуклая		5	30	Рабочий
			линза				режим
	AT	2 500	Плоек о выпуклая		5	30	Рабочий
			линза				режим
	ЖТ	100 Плоская		пластина	1	60	Рабочий
							режим

-		— 1 3 - Ю - 6 (гер­	Сразу после
		метизирован­
		ный)	изготовления
19	Частота не	— 10. Ю - 6	После 6 мес.
	установилась		ускоренного
			старения

19	Частота не
	установилась
47	-
іу	-
50	-
50
40	-
75	-
95	-
40	—

—6- 10 — 6

— 500- Ю - 9

(204-40) - 10~"

(0,24-0,4)-Ю- 3 ~ 5 . 1 0 - а

~5 . 1 0 — 9

± 1 0 . ю - 9

7- 10 ~ 8

350- Ю - 9

После t> мес ускоренного старения

3 мес. эксплуатации

Немедленно после изготовления

6—b мес. в рабо­ чем режиме Немедленно после изготовления

-

20 ч при + 1 4 0 ° а

6 мес. эксплуа тации

—

Ё диапазоне частот от 800 кГц до 200 МГц используются 1-я, 3-я, 5-я и 7-я механические гармоники кварцевых резонаторов среза AT для стабилизации частоты (частотный диапазон кварцевых резонаторов среза БТ до 30 МГц из-за больших значений г к в при работе на гармониках).

В данном диапазоне частот резонаторы выпускаются в вакуумном и герметизированном исполнении. Относитель­ ная точность настройки резонаторов не хуже +(5-^30) х X 10 - в в зависимости от интервала рабочих температур. От­ носительные уходы частоты из-за старения вакуумных ре­

зонаторов не превышают ± 1				• 10~в		за	год для прецизион­
ных	и ± 1 0 • 10~в	для	резонаторов широкого						применения,
а герметизированных ±(204-30) • 10~6.
Перспективными в рассматриваемом диапазоне явля­
ются	кварцевые	резонаторы			срезов	ИТ (yxbll — Y°/-fS°)
и РТ (ухЫ/-\-у°/—р°).			У	кварцевых			резонаторов			среза
ИТ	ТЧХ — кубическая		парабола,			имеет		точку перегиба
при	+80°С. Кварцевые		резонаторы			среза		ИТ	могут	обес­
печивать ТКЧ порядка			(2ч-Ю)		• Ю - 7 1/°Св			интервале тем­
ператур — 204- + 180°С.
Кварцевые резонаторы среза РТ имеют ТЧХ типа пло­
ской параболы и обеспечивают					ТКЧ	порядка			2 • 10~7	1/°С

винтервале температур от—60 до +70° С(Ь « Ю - 8 °С-2 ). Эквивалентная индуктивность резонаторов среза ИТ

больше, чем у резонаторов среза AT. Так, например, на

частоте	10 МГц L K B и т / £ к в AT = 2,3 и QK B ит/<2Кв AT =
= 1,4,	т. е. с применением среза ИТ можно получать резо­

наторы с большой добротностью. Это преимущество особен­ но важно для опорных и прецизионных автогенераторов. Недостатком кварцевых резонаторов среза ИТ и РТ является наличие второго, близкого по частоте к основному (8—11 %), колебания сдвига по толщине со значительно большим ТКУ и меньшее эквивалентное сопротивление для среза РТ, чем на частоте основного колебания. Последнее можно устра­ нить, применяя избирательные схемы автогенераторов.

Отметим, что во всем диапазоне частот кварцевые резона­ торы изготавливаются из естественного и искусственного сырья, причем практически характеристики и эквивалент­ ные параметры резонаторов получаются идентичными.

Характерным для всех резонаторов является относитель­ ное постоянство собственной резонансной частоты, которое обычно характеризуют скоростью старения — параметром, показывающим изменение резонансной частоты за опреде­ ленный промежуток времени. В данных, приведенных для

различных кварцевых резонаторов, уже были приведены средние значения уходов частоты из-за старения. Более подробно величина уходов частоты из-за старения и зави­ симость ее от условий эксплуатации проиллюстрированы табл. 4.3. Из таблицы видно, что скорость старения зависит не только от выбранного резонатора, условий эксплуатации, но и от мощности, рассеиваемой на резонаторе (режим ра­ боты и хранения). Для того чтобы избежать недопустимо большой скорости старения, обеспечить требуемую стабиль­ ность генерируемой частоты и высокую эксплуатационную надежность, необходимо исключить возможность рассеи­ вания больших мощностей на кварцевом резонаторе. Ве­ личина допустимой мощности, рассеиваемой на кварцевом резонаторе, определяется его конструкцией, частотой, видом среза и условиями эксплуатации.

Для кварцевых автогенераторов общего назначения ве­ личину допустимой мощности, рассеиваемой на кварцевом резонаторе, можно выбирать с помощью табл. 4.4.

Т а б л и ц а 4.4

Максимально

допустимая

мощность Тип резонатора Частота резонатора, кГц рассеивания

на резонаторе, мВт

Герметизированные	На	основной частоте	750—5000	10
(ГОСТ 6503—67)	На	основной частоте	5 000—30 000	4
	На	гармониках	5 000-100000	2
Вакуумные	На	основной частоте	4 - 50	0,1
(ГОСТ 11599—67)	На	основной частоте	50—800	2
	На	основной частоте	800—30 000	4
	На	гармониках	Свыше 15 000	2

Частота кварцевого резонатора зависит от уровня воз­ буждения его в схеме автогенератора, т. е. от мощности рас­ сеивания на резонаторе. Это необходимо учитывать при проектировании кварцевых автогенераторов, так как при возбуждении в одной схеме кварцевых резонаторов с раз­ ными г к в будут наблюдаться уходы частоты, обусловленные не только изменением его добротности, но и разными уров-

нями возбуждения в схеме автогенератора. В качестве пара­ метра, характеризующего эту зависимость, выбирают пье­ зоэлектрический ток [10, 18] и вводят понятие «токовых» коэффициентов, представляющих относительные изменения частоты резонатора при изменении мощности рассеивания на 1 мкВтдля разных срезов резонаторов и диапазона частот. Данные, приведенные в табл. 4.5, могут быть использованы при оценке уходов частоты вакуумных резонаторов при раз­ ных уровнях возбуждения. Указанные в табл. 4.5 значения Р Н о м меньше Яном д. а А ^ н о м выбраны так, чтобы оценить уходы частоты кварцевых резонаторов при изменении воз­ буждения в широких пределах. Эти данные сняты экспе­ риментально для большого числа резонаторов путем их воз­ буждения пассивным способом в схеме резистивного четы­ рехполюсника с одновременным контролем частоты, г К в ре­ зонатора, уровней возбуждения и температур термостатирования.

			Т а б л и ц а 4.5
Тип	Диапазон	Р1ЮМ' м В і	л риом' м В т	f
резонатора
	частот, кГц			1 /мкВт
	4—60	0,1	± 0 , 0 6	50
Вакуумные	40—200	2,0	± 1 , 0	15
резонаторы	50—160	2,0	± 0 , 5	5
	100—300	2,0	± 1 , 0	1
	150—300	2,0	± 0 , 5	5
	300—500	2,0	± 0 , 5	10
	800	1,0	± 0 , 5	3
	75-103
Для прецизионных		резонаторов,	работающих	на меха­

нических	гармониках	на частотах 2,5 и 5 МГц при малых
мощностях рассеивания на них ( Р Н о м <			Ю0 мкВт), зави­
симость	А/// = Ф(/ к )	аппроксимируется	выражением [18,
19]:

Д / / / = ч / к ,

где г) = (0,17+0,2)	А - 2	для / =	2,5 МГц (5-я гармоника);
т) = (0,5+0,7) А - 2	для /	= 5 МГц (5-я гармоника)
Отметим, что в случае превышения допустимых значений
мощности, рассеиваемой на резонаторе, начинает				проявлять­
ся немоночастотность кварцевых			резонаторов	и в спектре

выходного сигнала автогенератора сказываются частотные составляющие, не кратные основной генерируемой частоте. Это приводит к снижению добротности резонатора, а сле­ довательно, и к снижению стабильности. При жестких тре­ бованиях к спектру выходного сигнала необходимо снижать мощность, рассеиваемую на кварцевом резонаторе.

Уровень и распределение по шкале частот побочных резонансов зависят от ряда причин, среди которых основными можно считать конструкцию резонатора, геометрию плас­ тины, а также технологию изготовления резонатора.

При выборе резонатора нужно проверять наличие по­ бочных резонансов и их величину относительно основного. Следует заметить, что если уровни побочных резонансов больше 0,6—0,7 от уровня основного и близки к нему по ча­ стоте, т. е.

( / о - М о < ( Ю - Ы 5 ) - 1 0 - б ,

то настроить резонатор точнее чем (2+5) • 10~6 весьма труд­ но, а в автогенераторе, предназначенном для эксплуатации в широком диапазоне температур, возможны необратимые перескоки частоты с основной на побочную частоту.

На высоких частотах заметно влияют на частоту возбуж­ дения паразитные элементы схемы резонатора. Поэтому при составлении эквивалентной схемы кварцевого резонатора, работающего в широком диапазоне частот до 200 МГц, не­

обходимо учитывать		влияние паразитных	индуктивностей
и	емкостей.
	Для обычных типов резонаторов Са =		со. Емкости Сэ ,
С0	и Ся на эквивалентной схеме учитывают емкости электро­
дов и проводников		резонатора. Влияние	паразитных ем­

костей и индуктивностей на частоту возбуждения следует оценивать на частотах, превышающих 70—100 МГц.

Емкости электродов пьезоэлемента относительно корпуса составляют величину порядка 0,25 пФ для микроминиатюр­ ных герметизированных резонаторов вида М (ГОСТ 6503— 67). Поэтому на частотах свыше 70 МГц целесообразно при­ менять вакуумные резонаторы в стеклянных баллонах,у которых эти емкости меньше, но и в этом случае нужно учи­ тывать их влияние на частоту настройки.

Паразитные индуктивности можно рассчитывать как ин­ дуктивности прямого провода. Паразитные индуктивности имеют величину порядка L n ж 0,014-0,005 мкГ и при малых паразитных емкостях уменьшают частоту возбуждения кварцевого резонатора на величину, равную

Л „	кв, V кв 0	о к	в	п	кв1	п/	.
Д(0 = С0К В ] — СОкв. =		-г—
	" Kli 4 K B — 4 О 0 L		H	fflKBl	4 K B
где © к в 1 — резонансная	частота	резонатора;			ю к в 2	— резо­

нансная частота резонатора с учетом паразитных индуктивностей.

Данное выражение получено при определении резонанс­ ной частоты резонатора с учетом последовательно подклю­ ченной Ьп к эквивалентной электрической схеме резонатора (см. рис. 4.2, а).

В диапазоне частот 100—200 МГц относительная ошибка в определении частоты резонанса, если не учитывать влия­ ния индуктивностей вводов, лежит в пределах (З-г-5) х X io-«.

4.3.КВАРЦЕВЫЕ АВТОГЕНЕРАТОРЫ

Широкий диапазон частот, в котором используются кварцевые автогенераторы, разнообразие условий эксплуа­ тации и требований, предъявляемых к ним, привели к появ­ лению множества различных схем и разных их конструк­ тивных решений.

Методика расчета и проектирования кварцевых авто­ генераторов на транзисторах достаточно подробно изло­ жена в [20, 21], поэтому в данном параграфе будут рассмот­ рены методы борьбы с воздействием дестабилизирующих факторов, особенности работы ряда схем, рекомендуемых для применения в широком диапазоне частот [20], и приведен анализ и методика расчета схем кварцевых автогенераторов на туннельных диодах.

Дестабилизирующие факторы, воздействующие на квар­ цевые автогенераторы, могут быть весьма значительными:

—механические вибрационные (до 15 g) и ударные (до 150 нагрузки и линейные ускорения (до 50 g);

—изменение окружающей рабочей температуры от —60 до +70° С;

—изменение питающих напряжений (±10%) и элект­ рических нагрузок (до ±30%);

— колебания		атмосферного	давления	1 • 10"в ~
-7-1600 мм рт. ст. и относительной влажности				от 5 до 98%
при 40° С.
Постоянное	совершенствование		элементов	кварцевого
автогенератора	и схемных решений позволило найти эффек­

тивные методы борьбы с влиянием дестабилизирующих фак­ торов и в большинстве случаев удовлетворить требованиям, предъявляемым к стабильности и воспроизводимости ча­ стоты кварцевых автогенераторов (относительная неста­

бильность частоты порядка от	1 • 10~в до 1 • 1 0 - 1 ° и воспро­
изводимость частоты от 1 - 10~в	до Ы 0 ~ 9 ) .

Чтобы уменьшить влияние влажности на схему автоге­ нератора, применяют влагонепроницаемые покрытия, вла-

гопоглотители	и герметизируют кварцевый автогенератор.
В некоторых	случаях собственно схему помещают в бал­
лон резонатора, выполняя ее на специальных			подложках
или непосредственно		на кварцевой пластине	резонатора.
Под воздействием		механических нагрузок генерируемая

частота изменяется из-за изменения пареметров схемы. Например, в резонаторах, работающих на частоте 5 МГц (срез AT), при воздействии ускорений в 15 g в плоскости,

перпендикулярной		пьезоэлементу, относительные		уходы
частоты достигают		значений	1 8 - Ю - 9 . При воздействии
такого	же ускорения в плоскости, параллельной пьезоэле­
менту,	относительные уходы		частоты составляют	1 2 - Ю - 9 .

Полностью исключить влияние механических воздей­ ствий на частоту резонатора при помощи совершенствова­ ния конструкции держателя не удается. Основным способом уменьшения влияния механических воздействий (кроме постоянных ускорений) можно считать применение амор­ тизаторов. В качестве амортизаторов можно использовать, например, материалы типа пенополиуретанов, имеющие большое затухание в широком диапазоне частот механи­ ческих воздействий. Чтобы повысить вибростойкость, иногда весь автогенератор заполняют пластмассой и полу­ чают единый жесткий блок.

Влияние изменений питающих напряжений и нагрузок удается уменьшить применением стабилизаторов напря­ жений источников питания и буферных каскадов соот­ ветственно.

Влияние изменений температуры окружающей среды на частоту кварцевого генератора снижают с помощью спе­ циальных способов термостатирования и термокомпенса­ ции. Эти способы будут рассмотрены в § 4.4.

Как уже отмечалось, уменьшить влияние непостоян­ ства нагрузки на генерируемую частоту можно, применяя буферные каскады. При таком решении задачи в качестве буферных используют резонансные или резистивные ка­ скады. Иногда (особенно при низкоомных нагрузках) удобно применить сочетание резистивного и резонансного буферных каскадов (рис. 4.5). Автогенератор (рис. 4.5)

Рис. 4.5. Принципиальная схема автогенератора на 80 МГц с квар­ цевым резонатором в цепи обратной связи (последовательный ре­ зонанс): Транзисторы 1ТЗІЗА, Я п = — 6 В .

собран на транзисторе Т1 по схеме с кварцем в цепи обрат­ ной связи, а буферные каскады — на транзисторах Т2

иТ3.

Получить относительную нестабильность Ю - 7 — Ю - 1 0 , повышая только стабильность питающих напряжений, трудно, поэтому в автогенераторах применяют компенси­ рующие устройства. Принцип действия этих устройств за­ ключается в том, что в схему добавляется реактивное или активное компенсирующее сопротивление, величина ко­ торого зависит от величины напряжения источника пита­ ния, а изменение этого сопротивления приводит к измене­ нию генерируемой частоты. Направление изменения ча­ стоты, вызванного изменением величины компенсирующего сопротивления, должно быть обратным изменению частоты генератора, вызванному изменением напряжения питания. Величины же изменений частоты должны быть одинако­ выми. В качестве компенсирующего элемента схемы может служить р-п переход транзистора или диода.