Схемы кварцевых автогенераторов

В схемах автогенераторов кварцевый резонатор может быть использован в качестве эквивалентной индуктивности контура в интервале частот ω1<ω<ω2 (см. рисунок 5.16). Поскольку ёмкость Со обычно в 100 …1000 раз больше ёмкости Cq, этот интервал очень узкий, рабочая частота генератора ω близка к резонансным частотам резонатора, что позволяет практически полностью использовать фиксирующую способность резонатора.

Схемы автогенераторов с использованием кварца в качестве индуктивности получили условное название «осцилляторные» и строятся они по принципам трёхточечных схем. Два варианта таких схем представлены на рисунках 5.19а, 5.19б.

Рисунок 5.19 – Осцилляторные схемы автогенераторов

Первый из них (рисунок 5.19а) аналогичен индуктивной трёхточечной схеме, в которой кварцевый резонатор выполняет функции индуктивности L2, включенной между эмиттером и базой транзистора. Роль второй индуктивости L1 выполняет контур, который на частоте генерации ω должен иметь индуктивную реакцию. Для этого резонансная частота контура ωο должна удовлетворять условию ωο>ω. Если вместо контура использовать катушку индуктивности баланс амплитуд и фаз может быть выполнен и на частоте механической гармоники, поэтому частота, на которой заработает автогенератор, становится неопределённой. Наличие контура в коллекторной цепи исключает такую возможность, т.к. на частоте мехнической

гармоники его сопротивление существенно меньше, чем на основной частоте, соответственно значительно меньше будет сопротивление |Zк|, и выполнение баланса амплитуд становится маловероятным. Остальные элементы схемы имеют то же назначение, что и в ранее рассмотренных схемах автогенераторов.

К числу достоинств этой схемы следует отнести слабое влияние на стабильность частоты процесса старения кварца, т.к. резонатор подключен к участку база – эмиттер, где при малых напряжениях соответственно не велика амплитуда механических колебаний. Недостатком такой схемы на биполярном транзисторе является значительная величина активной проводимости участка база - эмиттер, которая, шунтируя резонатор, снижает его фиксирующую способность

Второй вариант осцилляторной схемы, эквивалентный ёмкостной трёхточке представлен на рисунке 5.19б. Здесь кварцевый резонатор выполняет функции индуктивности L3 , а контур в коллектрой цепи – функции ёмкости С1 . Для этого резонансная частота контура должна удовлетворять условию ωο>ω .

Достоинством этой схемы является слабое влияние на фиксирующую способность резонатора внешних цепей, т.к. участок коллектор – база, к которому подключен резонатор, имеет относительно низкую проводимость. Однако, в этом случае напряжение на резонаторе оказывается высоким, что сказывается на интенсивности старения кварца и соответственно на стабильности частоты. Поэтому в такой схеме целесообразно использовать транзисторы способные работать при низких напряжениях питания (порядка 1,5 – 2 В). К числу достоинств схемы следует отнести возможность замены контура цепью RC1 (см.рисунок 5.19в), т.к. сопротивление этой цепи на частоте механической гармоники не велико и соответственно мала вероятность выполнения баланса амплитуд. Резистор R необходим для подачи напряжения питания на коллектор транзистора. В этом случае в схеме полностью отсутствуют катушки индуктивности, наличие которых существенно усложняет технологию производство радиоэлектронной аппаратуры. Автогенераторы такого типа на фиксированную частоту выпускаются в виде интегральных микросхем.

Включение резонатора в качестве L1 между коллектором и эмиттером в индуктивной трёхточечной схеме не рекомендуется, т.к. при этом для коллекторной цепи понадобится параллельная схема питания, в которой кварцевый резонатор окажется шунтированным либо блокировочным дросселем, либо низкоомным резистором. В первом случае возникает вероятность возбуждения генератора в контуре, образованном блокировочным дросселем, независимо от присутствия резонатора, а во втором – низкоомный резистор, через который осуществляется питание коллекторной цепи, шунтирует резонатор, снижая его фиксирующую способность.

Другие варианты схем автогенератора основаны на использовании резонатора в качестве узкополосного фильтра. Если в обычном автогенераторе с колебательным контуром в разрыв одной из его цепей включить кварцевый резонатор, то цепь будет замкнута только для колебаний с частотой его последовательного резонанса. Поэтому возбуждение колебаний в такой схеме станет возможным лишь при настройке контура автогенератора на эту частоту. Автогенераторы такого типа получили соответственно наименование - «фильтровые». Возможные точки включения резонатора в фильтровом автогенераторе представлены на рисунке 5.20а. Там же, в качестве примера (рисунок 5.20б), показана схема с включением резонатора в цепь базы транзистора

Рисунок 5.20 – Схема фильтрового автогенератора

. В такой схеме, последовательно с кварцевым резонатором включены входное сопротивление транзистора и сопротивление нагрузочного контура Zк , которые по величине значительно превосходят собственное сопротивление резонатора rq и соответственно снижают его фиксирующую способность. Частично ослабить влияние внешних цепей можно, включив резонатор в цепь эмиттера, а транзистор использовать с общей базой (рисунок 5.21а).

Рисунок 5.21 – Схемы фильтровых автогенераторов

В этой схеме, с одной стороны, последовательно с резонатором включено входное сопротивление транзистора с общей базой, которое приблизительно равно 1/S, и по величине значительно меньше rq. Практически полностью удаётся исключить влияние сопротивления внешних цепей в двухтранзисторной схеме «Батлера» (рисунок 5.21б). Здесь цепь нагрузочного контура подключена к резонатору через эмиттерный повторитель, у которого выходное сопротивление равно 1/S. Таким образом, общее сопротивление внешних по отношению к резонатору цепей оказывается незначительным по сравнению с rq, и фиксирующая способность кварцевого резонатора реализуется практически полностью.

Как уже отмечалось выше, кварцевый резонатор может возбуждаться и на нечётных механических гармониках. Казалось бы достаточно, например, в схемах на рисунке 5.19а или 5.19б, перестроить контур на частоту какой-либо из механических гармоник, чтобы колебания возникли на соответствующей частоте. Однако реализовать эту возможность не всегда удаётся. Действительно, с ростом номера гармоники увеличивается проводимость емкости кварцедержателя Во=ωCo , которая в конце концов полностью зашунтирует кварцевую пластину (см. рисунок 5.22), превратив резонатор в реактивность ёмкостного характера. В результате, не будет выполняться баланс фаз, и возбуждение резонатора станет не возможным.

Рисунок 5.22 – Частотная характеристика реактивной

проводимости резонатора

На рисунке 5.22 Вq – проводимость резонатора; В^/q – проводимость кварцевой пластины; Вo - проводимость ёмкости Со.

Если автогенератор предназначен для работы на одной гармонике, влияние ёмкости Со может быть устранено компенсирующей индуктивностью Lo, например, как это показано на рисунке 5.20б. Контур Lo, Со настраивается на частоту соответствующей механической гармоники.

При необходимости перестройки генератора с одной гармоники на другую, применяют частотно независимые схемы нейтрализации ёмкости Со. Два варианта таких схем представлены на рисунке 5.23. В фильтровой схеме на рисунке 5.23а ток обратной связи через ёмкость Со компенсируется током через нейтродинный конденсатор СN, т.к. потенциалы точек a и b относительно «земли» противофазны.

Условием полной нейтрализации Со является условие баланса моста

Рисунок 5.23 – Схемы автогенераторов для возбуждения

на механических гармониках

Аналогичная нейтрализация ёмкости Со может быть выполнена в схеме Батлера, если в коллекторную цепь эмиттерного повторителя включить дополнительную нагрузку (R0). Для нейтрализации Со в этом случае необходимо выполнить следующее условие

В последних схемах нейтрализация не зависит от частоты возбуждаемых колебаний, поэтому для перехода на другую гармонику достаточно перестроить контур автогенератора.