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

fr.ru

1000Z30

1000220

wozwг soy

1000200

1000190

№0180
Рис. 4.29. Экспериментальные		кривые	зависимостей			стационарной
амплитуды автоколебаний	11т	и частоты		генерации		fr от у при
m = 1; п =	0,9; г х 0,54;			б 0	= 0:
Д—для схемы на рис, 4.18; • — для		схемы	на рис.		4.19; О — Д л я схемы на
	—-рис. 4.20.

В схемах автогенераторов	использовались	серийные
ТД типа АИЮ1А (пиковый ток	1г = 1 мА; минимальная
величина дифференциального	отрицательного	сопротив­
ления по модулю |—R0 | = 200	Ом) и кварцевый	резонатор

Рис. 4.30.

Влияние

относительного

параметра

п на

зависимости

Ue

(у) и а (у) для схемы

на

рис.

4.20

при т =

1;

г т

0,54; 6„ =

0:

#— л = 0,9;

О— /1 = 0,8;

д — я =

0,6.

(/ к в

= 1 000 210

Гц;

г к в =

100

Ом; QK B

= 2

• 106),

ра­

ботающий на основной частоте.

Исследовались зависимости амплитуды напряжения на

контуре Ur

и частоты

генерации / г

в стационарном режиме

от расстройки контура у (рис. 4,29,

4.30).

9 Зак. 1056

241

Сравнение кривых Ur(y) и а(у), приведенных на рис. 4.29, 4.30, с аналогичными теоретическими кривыми, представ-

ленными на рис. 4.28 и графиками p ^ - j (у) (рис. 4.23—4.25),

показывает достаточно хорошее совпадение результатов экспериментального исследования и теоретического рас­ смотрения, основанного на квазилинейном методе. Это поз­ воляет рекомендовать данный метод для инженерных рас­ четов кварцевых автогенераторов на ТД.

4.4.3. Особенности расчета кварцевых автогенераторов на ТД

Расчет кварцевых автогенераторов на ТД отличается от расчета обычных (без кварцевых резонаторов) автогенера­ торов гармонических колебаний. Некоторые из особенно­ стей такого расчета уже отмечались, другие (связанные с отмеченными) заключаются в особом подборе типа ТД и выборе рабочей точки на его вольтамперной характери­ стике.

Главным параметром ТД в схемах автогенераторов гар­ монических колебаний и, в особенности, в схемах кварцевых автогенераторов является дифференциальное отрицательное сопротивление — R . Величина этого сопротивления, как из­ вестно, зависит от положения рабочей точки на падающем участке и имеет минимальное значение | —R0 1 в точке пере­ гиба вольтамперной характеристики ТД. Напряжение <7|_«0 |, соответствующее этой точке на падающем участке вольтамперной характеристики, также используется как один из исходных параметров при проектировании и рас­ чете кварцевых автогенераторов на ТД.

Для повышения предельной рабочей частоты схем квар­ цевых автогенераторов на ТД необходимо уменьшать ве­

личину отрицательного	сопротивления — R . Однако	при
очень малом—R (его имеют Т Д с большими пиковыми		тока­
ми порядка нескольких	десятков и сотен миллиампер)	ока­

зывается практически невозможным устранить паразитную генерацию в схеме, поскольку в этом случае паразитные па­ раметры ТД (главным образом, индуктивность вводов L s и емкость р-п перехода С) начинают играть существенную роль. Из-за наличия паразитных параметров ТД при корот­ ком замыкании его вводов становится неустойчивым и спо-

242

собен генерировать. Теория и практика		работы с ТД пока­
зывают, что ТД с пиковым током	/ х ^	10 мА неустойчивы
при коротком замыкании вводов.
К особенностям кварцевых	автогенераторов на ТД

относится также малая величина Ry по сравнению с величи­ ной управляющего сопротивления обычных автогенерато­ ров, которая может быть получена в данной схеме, в особен­ ности если кварцевые резонаторы имеют большую величину сопротивления потерь г к в .

Из условия самовозбуждения (4.13) следует, что при ма­ лых Ry это условие может быть выполнено наиболее легко при выборе рабочей точки в точке перегиба на падающем

участке вольтамперной характеристики ТД.	Кроме того,
при таком выборе рабочей точки при небольшом	изменении

напряжения смещения величина отрицательного сопротив­ ления —R изменяется сравнительно мало.

	В соответствии с изложенным предъявляются требова­
ния	к величине — R .
При создании кварцевых автогенераторов на ТД целе­
сообразно использовать ТД, имеющие величину параметра
-R0	порядка от 100 до 200 Ом и больше. Такое значение
	имеют ТД с пиковыми токами / ь равными 1 и 2 мА.
-RoИспользование ТД с такими пиковыми токами в квар­
цевых автогенераторах, хотя и приводит к уменьшению ко­

лебательной мощности, весьма полезно с точки зрения по­ вышения долговременной стабильности частоты этих авто­ генераторов, обусловленного уменьшением напряжения, а

следовательно,

и

мощности,

рассеиваемой

на

кварцевом

резонаторе, и снижения старения кварцевого

резонатора.

4.4.4. Пример

расчета

кварцевого

автогенератора

на ТД, выполненного

по схеме

на рис. 4.20

Исходные

данные.

Параметры

кварцевого

резонатора: fKB =

«

1000209,2

Гц; гкв

= 103 Ом; QKD =

1,7

105;

С„к в

=

4,25 пФ;

60

= 2,75-10~3 .

В

результате

расчета

требуется:

а)

выбрать

тип ТД;

L ,

С,

Rn

б)

определить

параметры

контура

автогенератора;

в)

определить

частоту генерации fr;

г)

найти

стационарную амплитуду

£/г ;

д) определить мощность РцВ , рассеиваемую на кварцевом ре­

зонаторе.

Учитывая

замечания,

приведенные

в

п.

4.4.3,

перейдем

к

расчету.

9*

243

t.

Выбираем ТД из арсениДа

галлия

типа А И101А с пиковым

током

1г

=

1 мА. Из

измерений

получаем: I — R(l

\ =

192 Ом; на­

пряжение

смещения,

соответствующее

| — R 0

I, t/j

/ ? n

| =

0,177

В;

ток

в

рабочей

точке

(соответствующей

| —R„ \ =

192

Ом)

/ 0

=

•=» 0,7

мА.

2. Рассчитываем

величину относительного параметра г:

r=rKB/\

— R01 =

103/192 ж 0,54.

на

3.

Для

получения

RY/\ —R01 >

2

по графикам

Ryl

| — R |(у)

рис. 4.25, а

при у =

1 выбираем

т =

1; л = 0,9.

4.

Определяем

величины параметров

контура

L , С,

Ru:

R0

= n\-R0

|=0,9 - 192= 173 Ом;

'"кв

л f

тп

1,03-10а

_ , , —

1 = ~

-

\

/

—

=

,

„

1/0,9 = 2 9 - Ю - 6

Ги =29 мкП

2 я / к в г

| /

V

2-3,14- Юв -0,54 ^

0,54

С =

'

2я/ив ^кв

К

'««V

2-3,14 -10°-1,03- 10г

875 • Ю - 1 2 Ф =

875 п ф ,

5.

По формуле

(4.16)

находим величину

а. Так как значение

60

очень

мало,

при расчете положим

б 0 = 0 .

Тогда

формула

(4.16)

будет

иметь вид

,2

—

т і —4-У—6J « = 0,

откуда

а =

0.

6.

Из соотношения

a = 2 Q K B ( / r — / К в ) / / к в

= 0 находим

/ г =

/кв =

=1000209,2 Гц.

7.По формуле (4.17) определяем величину Я у :

1,03-102

/

0,9

л

л

\

—

0,54

I

2 — ++0,9 - ^

}

Я у

=

0,54^

^

505 Ом.

'•

і

'

- =

*

2

8.

По

графику

экспериментальной

зависимости

R

(UT)

(рис.

4.27)

для выбранного

ТД

находим, что при Ry

=

505 Ом

величина стационарной амплитуды ІІГ ж

110 мВ.

9. Рассчитываем величину мощности, рассеиваемой на квар­

цевом

резонаторе

Ul

( П О - Ю - 3 ) 2

2гк

(

я \ 2

1

I

0 ,9

( 1 -f — \

4 - а 2

2-1,03-10*М

+ 0,54

=

8,22 • Ю-6 Вт = 8,22

мкВт.

	!0. Находим величины			сопротивлений			R, и R3 делителя на­
	пряжения Е =	5,66 В:
					1 - Я п
				и -«ol 1		'	-Rol
		п	\	Е
			192				; 182 Ом,
	1	/	0,177	\	0,7-10-
	0,9	\ 1 _	5,66	) ~		192
					5,66
		£	.	/	5,66	- — 1	і 182
	U	I—«о			0,177
							= 3,28 кОм.
	1 + т Л - « , " "			4 - ^ ^ . 8 2
	1-«о				0,177

ТД

АИЮ-М

Рис." 4.31. Принципиальная схема кварцевого автогенератора на

ТД на частоту 1 МГц (элементы					/?*, С* подбирались).
На этом расчет автогенератора можно,считать законченным.
Найденные	при расчете		параметры		элементов. колебательной си­
стемы и цепи смещения			окончательно		уточняются при регулировке
и настройке схемы		автогенератора.
Принципиальная		схема		рассчитанного кварцевого автогене­
ратора на	ТД представлена			на рис. 4.31.
4.5.	ТЕМПЕРАТУРНАЯ			СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ

КОЛЕБАНИЙ КВАРЦЕВОГО АВТОГЕНЕРАТОРА

Температурная стабилизация частоты кварцевого авто­ генератора предусматривает способы уменьшения нестабиль­ ности частоты, связанной с изменением температуры внеш­ ней среды. Способы термостабилизации можно классифици­ ровать следующим образом:

—выбор схемы и обеспечение оптимальной связи схемы

скварцевым резонатором, позволяющей уменьшить влияние температурозависимых параметров схемы на частоту коле­ баний;

—применение режима кварцевого генератора, при ко­ тором величина мощности, рассеиваемой на резонаторе, мала;

—применение кварцевых резонаторов с малой величи­ ной температурного коэффициента частоты;

—применение термокомпенсации;

—термостатирование кварцевого резонатора или авто­ генератора в целом.

Все способы стабилизации находят широкое применение в кварцевых автогенераторах. Первые три из них исполь­ зуются в зависимости от целевого назначения кварцевого автогенератора и характеризуют качество собственно гене­ ратора.

4.5.1.Термокомпенсация

Принцип термокомпенсации состоит в том, что компен­ сирующие элементы вызывают уход частоты, равный по ве­

личине, но противоположный по знаку						уходу, вызванному
			изменением температуры. Наи­
			более	распространен					метод тер­
			мокомпенсации				с	помощью			из­
			меняющегося			комплексного					со­
			противления			[12].		Комплексное
			сопротивление				подключают				ли­
			бо к резонатору,					либо		к	кон­
Рис. 4.32.	Схема	кварцево­	туру	генератора.					В	качестве
			изменяющегося					комплексного
го автогенератора		с двумя	сопротивления				чаще		всего при­
кварцевыми резонаторами,
имеющими	противополож­		меняют		сочетание				терморези­
ные	ТЧХ.		сторов	с	индуктивностью						или
			емкостью (см. рис. 4.7, а), а так­
же сочетание терморезисторов с				емкостью			р-п			перехода
(см. рис.	4.13).

Термокомпенсацию можно также осуществить с помощью двух резонаторов, имеющих частотно-температурные ха­ рактеристики с разными знаками и включенных в схему автогенератора последовательно (рис. 4.32) [32]. Кварце-

246

вые резонаторы должны быть настроены на одну частоту с точностью не хуже 5 • 10~6, работать в схеме вблизи ча­ стоты последовательного резонанса, что в схеме рис. 4.32 обеспечивается выбором больших значений величин емко­

стей Ct и С 2 , и иметь одинаковые параметры г к в	и L K	B . По­
следнее требование затрудняет использование	этого	спо­

соба, так как вызывает необходимость подбора резонаторов. Экспериментальные кривые, иллюстрирующие способы тер­ мокомпенсации, приведены на рис. 4.33.

го	зо			to		so		т,°с
Рис. 4.33. Графики уходов частоты					кварцевых	автогенераторов
при	изменении			температуры:
/ — емкостная трехточка (рис. 4.7,6,				нагревался только		кварцевый		резонатор
№ 1); 2 — схема с кварцевым резонатором в цепи обратной связи							и	реактив­
ной термокомпенсацией	(рис. 4.7,a,			R~dlO	Ом, С8 = 68 пФ, нагревались ре­
зонатор № 1 и термокомпенсирующая цепочка); 3 — емкостная трехточка с дву­
мя кварцевыми резонаторами		(рис.		4-32,	нагревался	весь автогенератор с
кварцевыми резонаторами № 1 и 2).
Кварцеяый резонатор	№ 1 :	f=5	МГц, QKB		= 2,4- 10«, г к в = 138 Ом. ТКЧ =
		=	2. 10 — 7 !/°С .
Кварцевый резонатор № 2: f=5 МГц, Q K B = 2,0-10е , г к в = 1 7 0							Ом, ТКЧ =
	•= —2.5. 10' 1/*Q.

Термокомпенсация возможна также с помощью меха­ нического воздействия на кварцевую пластину резонатора [33]. При механическом давлении, приложенном к резо­ натору в определенном направлении, его собственная ча­ стота меняется примерно пропорционально приложенной силе. Направление и величина изменения частоты зависят от угла между вектором силы и осями кристалла. Выбирая этот угол и величину силы, можно выравнять ТЧХ резо­ натора. В качестве источника давления можно применить биметаллические пружины, сила давления которых зависит рт абсолютного значения температуры. Уходы частоты квар-

цевого резонатора в диапазоне температур с механической термокомпенсацией и без нее показаны на рис. 4.34.

Компенсировать влияние температуры можно также из­ менением магнитного поля, в котором находится резонатор. При этом поле может менять частоту на (2~-7) • Ю - 8 от номинального значения, поэтому метод применим в преци­ зионных генераторах.

Рассмотренные примеры не охватывают всех схем термо­ компенсации, но являются наиболее характерными и, до­ статочно иллюстрируя методы термокомпенсации, позво­ ляют сделать некоторые выводы.

		/	Рис.	4.34.	Температурно-
			частотные		характеристики
			кварцевого		резонатора			на
			/ = 5 4	МГц		(3-я	механи­
			ческая		гармоника):
			/ — без	термокомпенсации;				2 — с
		р	термокомпенсацией				биметалли-
			ческими	пружинами (угол				при-
,	,	і	ложения силы относительно оси
			к примерно			равен 80°).
20	<М7	60T,"Q

Термокомпенсацией можно повысить стабильность ча­ стоты в диапазоне температур примерно на порядок. Осу­ ществление термокомпенсации требует очень малых допол­ нительных затрат энергии и незначительно усложняет схему. Это бесспорные достоинства термокомпенсации.

К недостаткам термокомпенсации следует отнести:

— некоторое снижение добротности кварцевого резо­ натора, нестабильность элементов термокомпенсации и их источников питания, непосредственно влияющих на частоту автогенератора; долговременная стабильность генераторов с термокомпенсацией обычно ниже, чем в тех же автогене­ раторах без термокомпенсации;

— трудность подбора элементов термокомпенсации, па­ раметры которых должны меняться по закону, необходи­ мому для стабилизации частоты в широком диапазоне тем­ ператур;

— сложность получения нестабильности меньше Ы 0 ~ в в широком диапазоне температур.