.

Стабилизация частоты генераторов

Стабилизация частоты генераторов Общие сведения. Частота колебаний автогенератора определяет­ся его режимом работы и параметрами контура. В процессе работы генератор подвергается различным воздействиям (изменениям тем­пературы,, напряжения, влиянию других усилительных каскадов), вы­зывающим изменение частоты. Уменьшение влияния этих факторов достигается параметрической и кварцевой стабилизациями. Параметрическая стабилизация частоты осуществляется подбо­ром элементов схемы (конденсаторов, катушек индуктивности, резис­торов, транзисторов), параметры которых в процессе работы изменя­ются мало. Температурные влияния уменьшают с помощью терми­ческой герметизаций контуров генераторов в специальных термостатах, с использованием конденсаторов с отрицательными ТКЕ, компенсирующих увеличение емкости других элементов схемы. Влияние колебаний питающих напряжений снижают, применяя ста­билизаторы напряжения и тока. Электромагнитные влияния ослаб­ляют, рационально размещая элементы схемы и экранируя их. 
Кварцевая стабилизация, наиболее эффективный способ повы­шения устойчивости частоты генераторов, основана на применении в схемах кварцевых пластин с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Если к пластине кварца приложить переменное напря­жение (поместить ее в электрическое поле ВЧ), то она испытывает периодические механические деформации, т. е. сжимается и разжи­мается, что в свою очередь вызывает появление электрических заря­дов на ее гранях. В результате в цепи (между входными зажимами) проходит переменный ток, имеющий две составляющие. Реактивный ток Iс проходит через емкость, образованную металлическими пла­стинами кварцедержателя. Ток кварца Iк обусловлен наличием пье-зоэффекта и зависит от частоты приложенного напряжения. Когда частота подведенного переменного напряжения совпадает с собст­венной частотой механических колебаний кварца, наступает резо­нанс, при котором амплитуда колебаний будет максимальной. При этом пьезоэлектрический ток будет наибольшим, а его фаза совпадет с фазой приложенного напряжения. Поэтому вблизи резонансных частот кварцевую пластину можно представить в виде последова­тельного контура с сосредоточенными постоянными LK, CK, гк и параллельно подключенной к нему статической емкостью кварцедержателя Со (рис. 106,6). Практически емкость С0 в сотни раз больше эквивалентной емкости кварца, поэтому собственная резонансная частота кварца как последовательного контура w1k= 1 / \/ LKCK близка к собственной частоте эквивалентного парал­лельного контура w2K=l/ sql( LK(1 — ck/С0)). Поскольку Со>>Ск, час­тота параллельного резонанса w2к отличается от частоты последо­вательного резонанса w1K незначительно. Относительный разнос частот (w2к — w1к)/w1к=Ск/2С0~ 0,005-0,5 %.
 зависимость реактивного хк и полного 2К сопротивлений кварца от частоты (без учета активных потерь в нем). Из графиков следует, что при w2к>w>w1к сопротивление кварца носит индуктивный, а при w<w1к и й)>w2к — емкостной характер.
Стабильность частоты автоколебаний в зависимости от измене­ний емкости С0 и Ск Дw2к= — wlK(AC0/2C0- (СК/С0) и Дсо2к=w1к(АСк/2Со). Из равенств следует, что изменение емкости С0 в Со/Ск раз меньше влияет на частоту, чем изменение емкости Ск. Практически С0/Ск=102-104, поэтому изменение внешней емкости схемы кварцевого автогенератора, подключенной параллельно Со, слабо влияет на частоту автоколебаний. Благодаря большой индуктивности LH и малой емкости О* ве­личины рк и QK достигают значений, во много раз превышающих их значения в обычных электрических контурах, что обеспечивает малое затухание и очень высокую стабильность резонансной частоты кварцевого контура. 
Автоколебания в кварцеврм автогенераторе возможны только на частотах, соответствующих высокому значению крутизны фазовой характеристики, т. е. вблизи частоты w1K или w2к. В обоих случаях сопротивление кварца хк носит индуктивный характер, На частотах, соответствующих емкостному характеру сопро­тивления, кварц не возбуждается. Наибольшую добротность имеют кварцы, возбужденные на 5 — 7-й механических гармониках. Основные электрические параметры кварцевого резонатора (час­тота последовательного w1K и параллельного w2к резонансов, добротность QK, температурный коэффициент частоты ТКЧ, предельно до­пустимая мощность рассеивания Рк) определяются геометрическими размерами, типом среза пластин и видом колебаний (на основной или механической гармонике возбуждения). Для различных видов среза собственная частота кварца, МГц, колеблется в пределах; fo=l,6/d-3,5/d, где d — толщина пластины, мм. Например, для пластины х-среза и колебаний по толщине (вдоль оси х) собственная частота равна 2,836/d,
Схемы кварцевых автогенераторов. Существует два основных типа схем кварцевых автогенераторов:
  • осцилляторные
  • с затягива­нием.
В осцилляторных схемах используется свойство кварца сохра­нять индуктивный характер сопротивления в узком интервале час­тот, лежащих между частотами последовательного w1k и параллель­ного w2к резонанса Осцилляторные схемы собраны по типу трехточечных. В них кварц включается в такие участки схе­мы, сопротивление которых для выполнения фазового условия само­возбуждения должно иметь индуктивный характер.
В схемах с затягиванием в состав колебательной системы кроме кварца включается катушка индуктивности или дополнительный кон­тур, поэтому в схемах возможны колебания даже при емкостном
характере сопротивления кварца, т. е. при отсутствии -кварцевой ста­билизации. При работе с затягиванием на частоту автоколебаний влияют параметры схемы генератора, поэтому эти схемы применяют реже осцилляторных.
Схемы, в которых осуществляется компенсация статической ем­кости кварца, относят к компенсационным. Различают схемы с воз­буждением кварца на основной частоте и на механических гармони­ках.
В наиболее распространенных схемах транзисторных автогене­раторов с включением кварца в цепь обратной связи и мостовой возбуждение кварца возможно на основной частоте последовательного резонанса w1Кили на нечетной механи­ческой гармонике wn~nw1K. В этих схемах возникновение автоколе­баний возможно лишь на частоте последовательного резонанса tuiKили тощ, на которой сопротивление кварца гк мало, вследствие чего оказывается замкнутой цепь обратной связи база — коллектор.

При отклонении частоты колебательного контура от резонанс­ной oik пьезокварц вносит дополнительный фазовый сдвиг, из-за чего нарушается фазовое условие самовозбуждения. Дополнитель­ная емкость Сн в мостовой схеме включена для нейтрализации статической емкости кварца, через которую возможна дополнительная паразитная связь.