Меню

Кварцевый генератор опорной частоты



Кварцевые генераторы на биполярных и полевых транзисторах, а также

цифровых КМОП и ТТЛ микросхемах. Осцилляторные схемы генераторов
стабильной частоты, онлайн калькулятор расчёта элементов.

Параметр стабильности LC-генератора при условии качественного исполнения данного узла, наличия высокодобротных катушек и конденсаторов с подобранными ТКЕ может достигать достаточно высоких значений. Это даёт возможность радиолюбителю, не направляя свой взгляд в сторону цифровых аксессуаров, вести комфортный приём/передачу однополосных сигналов в частотном диапазоне работы ГПД до 10-15Мгц.
Можно, конечно, попытаться залезть и повыше, но ненамного — начинают возникать нюансы. С одной стороны, чем дальше влез, тем больше интерес, с другой — становится всё труднее удержать частоту генератора в сфере своего влияния. А при частотах колебаний свыше 30МГц, долговременная относительная нестабильность генератора становится таковой, что «голос любителя, радостно вещающего однополосным SSB сигналом о преимуществах «Яги» перед «Двойным квадратом», начинает плавно глиссандировать от убедительного баритона Левитана до легкомысленного тенора оперной дивы».
И вот тут уже — жить без кварцевого резонатора становится сложновато. Причём окварцованный генератор может использоваться как готовый гетеродин на фиксированную частоту, так и в качестве опорника для цифрового синтезатора частоты.

Кварцевый резонатор (кварц) — радиоэлемент, в котором явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы.
Добротность кварцевых резонаторов во много раз превышает добротность резонаторов на LC-контурах и составляет 10 4 . 10 6 . Долговременная относительная нестабильность частоты — не хуже чем 10 -6 . 10 -8

Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора в схемах генераторов, надо рассмотреть его эквивалентную схему:

Общепринятая эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена на Рис.1. Динамическая индуктивность Lk, динамическая ёмкость Ck и динамическое сопротивление Rk определяются частотой механического резонанса кварцевой пластины и величиной потерь, имеющих место в резонаторе.
Параллельная ёмкость Сo обусловлена межэлектродной ёмкостью пьезоэлектрика, ёмкостью корпуса и монтажа.
Соответственно и ведёт себя кварц и как параллельный, и как последовательный резонансный элемент одновременно.


Рис.1

Частота последовательного резонанса выражается формулой:
,

а частота параллельного:
.

Произведя несложные математические манипуляции, получаем:

Поскольку на практике Сo≫Ck, то расхождение между частотами параллельного и последовательного резонансов невелико — максимальная разность близка к 0,4% от паспортной частоты кварца. Также не составит особого труда заметить, что Fпар всегда > Fпосл.

Для интересующихся приведу некоторые типичные значения параметров эквивалентной схемы кварцевых резонаторов.

F (Мгц) Lk (мГн) Ck (пФ) Rk (Ом) Cо (пФ)
1 1910 13,3×10 -3 200 5
10 28,6 8,86×10 -3 12 4
12 24 7,368×10 -3 12 4
20 11,94 5,3×10 -3 10 3,5

Переходим к некоторым расхожим схемам генераторов с кварцевой стабилизацией частоты.

В ёмкостной трехточке по схеме Пирса (Рис.2) биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером.
Резисторы R1 и R2 задают режим работы транзистора T1 по постоянному току, и выбираются исходя из тока покоя транзистора 1-5мА в зависимости от частоты генерируемого сигнала.

Очевидно, что для возбуждения любого усилителя необходима положительная обратная связь, которая поворачивала бы фазу на 180˚.


Рис.2 Рис.3

Один только кварцевый резонатор не сможет обеспечить такой поворот фазы. Поэтому в схему дополнительно вводятся конденсаторы C1 и C2.

При возбуждении кварцевого резонатора на нечётных механических гармониках кварца, вместо резистора R3 включают катушку индуктивности L1 (Рис.3).
Параметры контура следует выбирать так, чтобы его собственная частота составляла 0,7. 0,8 от частоты генерации. В результате контур имеет ёмкостную проводимость на частоте необходимой гармоники, что исключает возможность генерации на низших гармониках и основной частоте.

Значительно большим фазовым запасом для возникновения условий генерации обладают схемы ёмкостных трёхточек Пирса, выполненные на полевых транзисторах, либо КМОП микросхемах, в том числе и цифровых. Объясняется это высоким входным сопротивлением подобных устройств, что, в свою очередь, создаёт более правильные условия для работы цепей фазовращателя.

Схемы, выполненные на полевых транзисторах (Рис.4,5), аналогичны схемам свох биполярных аналогов.
Резистор R3 определяет режим работы Т1 по постоянному току, и выбирается исходя из необходимого тока покоя транзистора (1-5мА).

На Рис.6 приведена схема генератора Пирса,


Рис.4 Рис.5 Рис.6

построенная на высокочастотном ОУ, либо инверторе КМОП-логики, использующимся в качестве инвертирующего усилителя.
По сравнению со схемами на биполярных транзисторах, приведённые осцилляторы не так критичны в точности выбора номиналов фазосдвигающих конденсаторов С1 и С2. При применении цифровых КМОП инверторов, даже при выборе типичных значении ёмкостей C1 = C2 = 15 пФ, сохраняются условия для устойчивой генерации в достаточно широком диапазоне частот.

Генераторы Пирса вполне заслуженно считаются генераторами с наилучшей кратковременной стабильностью частоты, однако обладают определённым набором недостатков — как то: относительная сложность, необходимость качественной стабилизации базового тока транзистора, а также то, что ни один из выводов кварцевого резонатора не подключён к шине корпуса.

Отчасти указанных недостатков лишён генератор Колпитца — схемотехническое решение ещё одного трехточечного кварцевого генератора, в котором транзистор активного элемента по переменному току включён по схеме с общим коллектором. При этом кварцевый резонатор, имеющий индуктивный характер реактивного сопротивления, входит в состав параллельного резонансного контура, один из выводов которого может быть подключён к земляной шине.

На Рис.7 приведена базовая схема кварцевого генератора Колпитца при условии возбуждения резонатора на основной частоте.

Замена постоянного конденсатора С3 на подстроечный (Рис.8), даёт возможность регулировки рабочей частоты кварцевого генератора в некоторых незначительных преде- лах.


Рис.7Рис.8

Схема для возбуждения кварцевого генератора на 3-5 механической гармонике кварца (Рис.9) была замечена в datasheet-е на буржуйскую микросхему SA612A.

Последовательный резонанс- ный контур, образованный цепочкой L1, С3, шунтирует нагрузочный резистор R4 на основной частоте работы резонатора и создаёт, тем самым, условия возникновения


Рис.9Рис.10

колебаний именно на той частоте гармоникового кварца, который указан на его корпусе.
Ровно та же самая история, но с полевым транзистором вместо биполярного приведена на Рис.10.

На высоких частотах, вплоть до 300МГц, целесообразно применять однокаскадные схемы генераторов с общей базой (Рис.11).


Рис.11Рис.12 Рис.13 Рис.14

Схемы, приведённые на Рис.11 и Рис.12 функционально абсолютно идентичны, хотя первая из них представляет индуктивную трёхточку с кварцевым резонатором, выполненную по схеме Хартли, а вторая ёмкостную — по схеме Колпитца.
Для возникновения колебаний необходимо, чтобы колебательный контур был настроен на частоту кварцевого резонатора, либо на частоту, равную кратной основной частоте гармоники.
Дальнейшего улучшения условия самовозбуждения этих автогенераторов на высоких частотах можно добиться, включив параллельно кварцу дополнительную катушку индуктивности L2 (Рис.13 и Рис.14). Контур, образованный параллельной ёмкостью кварца Со и катушкой L2, настраивают на частоту используемой гармоники.
Точно также как и в предыдущих случаях, биполярный транзистор лёгким движением руки может быть заменён на полевой с соответствующими цепями смещения.

ВАЖНО!
1. К источнику питания любые ВЧ генераторы, в том числе и окварцованные, следует подключать через интегрирующую RC цепочку, представляющую из себя резистор номиналом несколько сотен Ом (в зависимости от рабочего тока транзистора) и конденсатор, идущий одним выводом на землю, ёмкостью 0,1МкФ.
2. Каскады, подключаемые к выходу генератора, должны иметь достаточно высокое входное сопротивление. Идеально — если это будут цепи, реализованные на полевых транзисторах.
3. Разделительные конденсаторы, нарисованные на схемах последовательно с кварцевыми резонаторами, призваны отсечь от кварца постоянное напряжение. Кто-то их ставит, кто-то нет — по-любому, внятных теоретических обоснований по поводу вреда здоровью резонаторов от постоянки я не встречал. Так, что считайте присутствие этих элементов факультативным, хуже точно не будет, лучше — вполне вероятно.

4. Базовая схема кварцевого генератора на цифровой микросхеме (Рис.6) отлично работает в широком диапазоне частот и не требует никаких модификаций. Многочисленные 2-3 вентильные вариации на заданную тему большого смысла не имеют, так как обладают худшими частотными свойствами. Разве, что можно обратить внимание на схему, приведённую на Рис.15, которая за счёт более высокого общего коэффициента усиления создаёт дополнительные условия для устойчивой генерации и меньшей зависимости от номиналов ёмкостей.
Рис.15

Ну и по традиции — калькулятор в студию!

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Приведённый калькулятор не претендует на 100% достоверность, так не в состоянии учитывать реальные характеристики применяемых резонаторов, однако, в большинстве случаев поможет радиолюбителю не допустить явных ошибок и запустить устройство без шаманства и танцев с бубнами.

А на следующей странице рассмотрим схемы кварцевых генераторов, обладающих способностью плавной перестройки в некотором не очень широком диапазоне частот.

Источник

Опорные кварцевые генераторы с температурной компенсацией ухода частоты TCXO

Кварцевые генераторы с температурной компенсацией ухода частоты позволяют значительно повысить стабильность частоты выходного колебания. Как мы уже обсуждали ранее, для целей устройств связи стабильности частоты 10 –5 , которую обеспечивают обычные кварцевые генераторы XO недостаточно. В то же самое время температурная зависимость AT-среза кварцевого кристалла хорошо известна. Поэтому в качестве опорных генераторов были разработаны термокомпенсированные кварцевые генераторы TCXO.

Изменение частоты кварцевого генератора с кристаллом AT-среза и компенсирующее напряжение, подаваемое на варикап VCXO, в зависимости от температуры окружаещей среды, приведено на рисунке 1. На этом же рисунке приведено изменение частоты термокомпенсированного кварцевого генератора TCXO.


Рисунок 1. График изменения частоты кварцевого генератора и компенсирующего напряжения

Неточная компенсация частоты объясняется ошибками формирования компенсирующего напряжения. Кроме того, уход частоты при росте температуры и понижении температуры несколько различаются. Кривая обладает гистерезисом. График изменения частоты кварцевого генератора показан на рисунке 2.


Рисунок 2. График изменения частоты кварцевого генератора

Простейшие версии TCXO выполняются с применением терморезисторов. Одна из возможных схем кварцевого термокомпенсированного генератора приведена на рисунке 3.


Рисунок 3. Схема кварцевого генератора с температурной компенсацией ухода частоты TCXO

В этой схеме на резисторе R1 и стабилитроне VD1 собран стабилизатор напряжения. Терморезисторы R2 и R5 вместе с обычными резисторами R3 и R4 формируют зависимость напряжения от температуры, приведенную на рисунке 1. Это напряжение подается на варикап VD2 и подстраивает частоту кварцевого генератора под заданное значение. Сам генератор собран по схеме Клаппа на транзисторе VT1. Внутреннее устройство одной из микросхем термокомпенсированного кварцевого генератора приведено на фотографии, показанной на рисунке 4.


Рисунок 4. Внутреннее устройство одного из видов кварцевого термокомпенсированного генератора

В современных версиях этих генераторов ставится датчик температуры и микроконтроллер с таблицей зависимости напряжения, которое нужно выдать на варикап VCXO от температуры. В результате можно получить нестабильность по частоте до 0,5×10 -6 или 0,5 ppm.

На рисунке 5 приведен примерный вид температурной зависимости генератора TCXO.


Рисунок 5. Типовая температурная зависимость ухода частоты при температурной компенсации

Подобные опорные генераторы немного дороже простых кварцевых генераторов, но при этом они размещаются в точно таких же корпусах микросхем, как и обычные кварцевые генераторы XO. Применение TCXO в качестве опорных генераторов позволяет значительно улучшить характеристики аппаратуры связи. А то, что опорный генератор используется только один, вместо нескольких обычных, может даже удешевить гаджет. TCXO широко применяютя в сотовых телефонах и в аппаратуре программно реализованных раций (software radio). Внешний вид корпусов кварцевых генераторов TCXO приведен на рисунке 6.


Рисунок 6. Внешний вид опорных кварцевых генераторов с температурной компенсацией

Термокомпенсированные опорные кварцевые генераторы производятся рядом отечественных и иностранных фирм. В качестве примера можно назвать такие микросхемы как ОАО «Морион», ГК321-ТК-01-С открытого акционерного общества «Пьезо» или фирмы Racon.

В настоящее время термокомпенсированные кварцевые генераторы все больше размещаются в корпусах поверхностного монтажа. Пример внешнего вида подобного TCXO показан на рисунке 7.


Рисунок 7. Внешний вид генератора TCXO в SMD корпусе

Внутреннее устройство подобного вида термокомпенсированных кварцевых генераторов может выглядеть так, как показано на рисунке 8.


Рисунок 8. SMD термокомпенсированный генератор со снятой верхней крышкой

А его чертеж и чертеж посадочного места на печатной плате приведен на рисунке 9.


Рисунок 9. Чертеж TCXO в SMD корпусе

Приобрести для эксперимента или для разрабатываемого вами устройства наиболее распространенный вид опорного генератора TCXO на частоту 26 МГц можно здесь

Дата последнего обновления файла 24.03.2018

Источник

Опорные генераторы

В настоящее время при разработке радиоэлектронной аппаратуры уделяется огромное внимание стабильности ее характеристик. Средства подвижной радиосвязи, в том числе сотовой связи не являются исключением. Основным условием достижения стабильных характеристик узлов радиоэлектронной аппаратуры является стабильность частоты задающего генератора.

В составе любой радиоэлектронной аппаратуры, в том числе приемников, передатчиков, микроконтроллеров обычно присутствует большое количество генераторов. Первоначально приходилось применять усилия для обеспечения стабильности частоты всех генераторов. С развитием цифровой техники люди научились формировать колебание любой частоты из одной исходной частоты. В результате появилась возможность выделить дополнительные средства для повышения стабильности частоты ОДНОГО генератора и тем самым получить целый ряд частот с очень высокой стабильностью. Такой генератор частот получил название опорный генератор

Первоначально для получения стабильных колебаний LC генераторов применялись особые конструктивные методы:

  • Изменение индуктивности за счет расширения металла проволоки компенсировали выбором материала сердечника, влияние которого было обратным по отношению к влиянию проводников индуктивности;
  • осуществляли вжигание металла в керамический сердечник с малым температурным коэффициентом расширения;
  • в контур включались конденсаторы с различным температурным коэффициентом емкости (ТКЕ).

Таким образом удавалось достигнуть стабильности частоты опорного генератора 10 –4 (на частоте 10 МГц уход частоты составлял 1 кГц)

Одновременно велись работы по применению совершенно других методов получения стабильных колебаний. Были разработаны струнные, камертонные, магнитострикционные генераторы. Их стабильность достигала весьма высоких значений, но при этом габариты, сложность и цена препятствовали их широкому распространению. Революционным прорывом оказалась разработка генераторов с применением кварцевых резонаторов. Одна из наиболее распространенных схем кварцевых генераторов, выполненная на биполярном транзисторе, приведена на рисунке 1.


Рисунок 1. Схема кварцевого генератора на биполярном транзисторе

В этой схеме опорного генератора баланс амплитуд обеспечивается транзистором VT1 а баланс фаз — контуром Z1, C1, C2. Генератор собран по стандартной схеме Колпитца. Отличием является то, что вместо катушки индуктивности применяется кварцевый резонатор Z1. Следует заметить, что в данной схеме не обязательно для обеспечения стабильной работы схемы применять эмиттерную стабилизацию. Часто оказывается вполне достаточно и коллекторной стабилизации режима работы транзистора. Подобная схема приведена на рисунке 2.


Рисунок 2. Схема кварцевого генератора с коллекторной стабилизацией режима

Схемы кварцевых генераторов, приведенных на рисунках 1 и 2, позволяют получить стабильность частоты опорного колебания порядка 10 –5 На кратковременную стабильность колебаний опорного генератора наибольшее влияние оказывает нагрузка. При присутствии на выходе опорного генератора посторонних колебаний возможен захват его колебаний. В результате кварцевый генератор будет производить колебания с частотой помех. Для того, чтобы это явление не проявлялось в опорном генераторе на его выходе обычно ставят усилитель, основное назначение которого не пропустить внешние колебания в кварцевый генератор. Подобная схема приведена на рисунке 3.


Рисунок 3. Схема кварцевого генератора с развязкой частотозадающих цепей от выхода схемы

Не менее важным параметром, во многом определяющим фазовые шумы генератора (для цифровых схем — джиттер сигнала синхронизации), является напряжение питания, поэтому опорные кварцевые генераторы обычно запитывают от высокостабильного малошумящего источника напряжения и осуществляют фильтрацию питания RC или LC цепочками.

Наибольший вклад в нестабильность частоты кварцевого генератора вносит температурная зависимость резонансной частоты кварцевого резонатора. При изготовлении резонаторов кварцевых опорных генераторов обычно применяются AT-срезы, обеспечивающие наилучшую стабильность частоты в зависимости от температуры. Она составляет 1*10 –5 (10 миллионнных или 10 ppm). Пример зависимости частоты кварцевых резонаторов с AT-срезом от температуры при различных углах среза (шаг изменения угла среза 10′) приведен на рисунке 4.


Рисунок 4. Зависимость частоты кварцевых резонаторов с AT-срезом от температуры

Нестабильности частоты 1*10 –5 достаточно для большинства радиоэлектронных устройств, поэтому кварцевые генераторы без специальных мер по повышению стабильности частоты применяются очень широко. Опорные генераторы с кварцевой стабилизацией без дополнительных мер по стабилизации частоты называются XO.

Как это видно из рисунка 4, зависимость частоты настройки кварцевого резонатора с AT-срезом от температуры хорошо известна. Более того, эту зависимость можно снять экспериментально для каждого конкретного экземплята кварцевого резонатора. Поэтому, если постоянно измерять температуру кварцевого кристалла (или температуру внутри кварцевого опорного генератора), то частоту генерации опорного генератора можно сместить к номинальному значению увеличивая или уменьшая дополнительную емкость, подключенную к кварцевому резонатору.

В зависимости от схемы управления частотой такие опорные генераторы называются TCXO (кварцевые генераторы с термокомпенсацией) либо MCXO (кварцевые генераторы с микроконтроллерным управлением). Стабильность частоты таких кварцевых опорных генераторов может достигать 0.5*10 –6 (0.5 миллионных или 0.5 ppm)

В ряде случаев в опорных генераторах предусмотрена возможность подстройки номинальной частоты генерации в небольших пределах. Подстройка частоты осуществляется напряжением, подаваемым на варикап, подключенный к кварцевому резонатору. Диапазон подстройки частоты генератора не превышает долей процента. Такой генератор называется VCXO. Часть схемы опорного генератора (без схемы термокомпенсации) приведена на рисунке 5.


Рисунок 5. Кварцевый генератор с подстройкой частоты внешним напряжением (VCXO)

В настоящее время многие фирмы выпускают опорные генераторы со стабильностью частоты до 0,5*10 –6 в малогабаритных корпусах. Пример чертежа подобного опорного генератора приведен на рисунке 6.


Рисунок 6. Внешний вид опорного кварцевого генератора с температурной компенсацией

Источник

Читайте также:  Как разобрать генератор 1nz fe