КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1999 года по МПК H03B5/36 

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования в качестве высокостабильного источника опорной частоты в составе экономичной малогабаритной радиоэлектронной аппаратуры
Известен кварцевый генератор (Пат. США N 4571558, кл. H 03 B 5/36), содержащий кварцевый резонатор, первый вывод которого заземлен, а второй через конденсатор подключен к внешнему выводу активной части генератора, образованной дифференциальным усилителем на первом и втором транзисторах, охваченном цепью положительной обратной связи выполненной на третьем, четвертом и пятом транзисторах.

Также известен кварцевый генератор (Пат. США N 4065728, кл. H 03 B 5/36), в котором кварцевый резонатор включен между входом двухтактного повторителя тока на первом и втором транзисторах, включенных по схеме с общей базой, и выходом двухтактного повторителя напряжения на третьем и четвертом транзисторах, включенных по схеме с общим коллектором, на базы которых подаются напряжения с коллекторных нагрузок первого и второго транзисторов, соответственно.

Недостатком этих кварцевых генераторов является повышенная нестабильность частоты, обусловленная зависимостью эквивалентного отрицательного сопротивления активной части генератора в точках подключения кварцевого резонатора от параметров усилительных транзисторов, а также тем, что эти транзисторы работают в существенно нелинейном режиме.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является кварцевый генератор (Пат. РФ N 2079205, кл. H 03 B 5/32), содержащий первый и второй транзисторы, коллекторы которых соединены с входами соответственно первого и второго токовых отражателей, выходы которых соединены и являются выходом кварцевого генератора, третий и четвертый транзисторы, эмиттеры которых соединены с неинвертирующим входом усилительного элемента, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора, второй вывод которого соединен с первым выводом элемента с полным внутренним сопротивлением и общей шиной, база и коллектор третьего транзистора соединены с выходом первого источника тока, общая шина первого токового отражателя соединена с первой шиной питания.

Недостатком этого кварцевого генератора является работа усилительного элемента в режиме большого сигнала, что обусловливает повышение его инерционности, снижающее стабильность частоты.

Целью изобретения является повышение стабильности частоты кварцевого генератора.

Для этого в кварцевый генератор, содержащий первый и второй транзисторы, коллекторы которых соединены с входами соответственно первого и второго токовых отражателей, выходы которых соединены и являются выходом кварцевого генератора, третий и четвертый транзисторы, эмиттеры которых соединены с неинвертирующим входом усилительного элемента, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора, второй вывод которого соединен с первым выводом элемента с полным внутренним сопротивлением и общей шиной, база и коллектор третьего транзистора соединены с выходом первого источника тока, общая шина первого токового отражателя соединена с первой шиной питания, дополнительно введены пятый и шестой транзисторы, эмиттеры которых соединены с первым выводом кварцевого резонатора, база и коллектор пятого транзистора соединены с эмиттером первого транзистора, база и коллектор шестого транзистора соединены с эмиттером второго транзистора, первый конденсатор, включенный между коллекторами четвертого и пятого транзисторов, второй конденсатор, включенный между коллекторами третьего и шестого транзисторов, второй источник тока, выход которого соединен с базой и коллектором четвертого транзистора, схема смещения уровня, вход которой соединен с выходом усилительного элемента, а первый и второй выходы соединены с базами соответственно первого и второго транзисторов, общая шина второго токового отражателя соединена со второй шиной питания, второй вывод элемента с полным внутренним сопротивлением соединен с эмиттером третьего транзистора.

При этом схема смещения уровня содержит седьмой транзистор, база и коллектор которого соединены с выходом третьего источника тока и являются первым выходом схемы смещения уровня, эмиттер соединен с базой и коллектором восьмого транзистора, эмиттер которого является входом схемы смещения уровня и соединен с эмиттером девятого транзистора, база и коллектор которого соединены с эмиттером десятого транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом четвертого источника тока и являются вторым выходом схемы смещения уровня, первый и второй выходы схемы смещения уровня соединены с ее входом через соответствующие третий и четвертый конденсаторы.

Такое построение кварцевого генератора обеспечивает работу усилительного элемента в линейном малосигнальном режиме, в котором он обладает минимальной инерционностью, следовательно, оказывает минимальное дестабилизирующее влияние на частоту генерируемых колебаний.

Заявляемый кварцевый генератор поясняется фиг. 1, на которой приведена его схема электрическая принципиальная, а также показано распределение токов в схеме генератора при его работе, и фиг. 2, на которой изображена вольт-амперная характеристика активной части кварцевого генератора.

Кварцевый генератор содержит первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4, пятый 5 и шестой 6 транзисторы, усилительный элемент 7, элемент с полным внутренним сопротивлением 8, кварцевый резонатор 9, первый 10 и второй 11 источники тока, первый 12 и второй 13 конденсаторы, первый 14 и второй 15 токовые отражатели, схему смещения уровня 16, а также входящие в ее состав седьмой 17, восьмой 18, девятый 19 и десятый 20 транзисторы, третий 21 и четвертый 22 источники тока, третий 23 и четвертый 24 конденсаторы.

Работу кварцевого генератора рассмотрим при следующих допущениях: транзисторы 1, 3, 5, 17, 18 идентичны, также идентичны транзисторы 2, 4, 6, 19, 20, токи базы транзисторов пренебрежимо малы по сравнению с их коллекторными токами, транзисторы работают на частотах много меньших граничной частоты их коэффициента передачи по току в схеме с общей базой, входное сопротивление усилительного элемента и выходное сопротивление источников тока бесконечно велики, сопротивление конденсаторов на рабочей частоте генератора пренебрежимо мало.

Первоначально подаются напряжения питания и токи источников тока такой величины, чтобы вывести все транзисторы в активный режим. При этом коллекторные токи транзисторов 17, 18, 19, 20, 1, 5, 6, 2 устанавливаются равными току I₀₁ источников тока 21 и 22, а коллекторные токи транзисторов 3 и 4 - равными току I₀₂ источников тока 10 и 11, и в генераторе возбуждаются автоколебания на частоте последовательного резонанса кварцевого резонатора. При этом ток кварца i_кв, поступающий на вход активной части автогенератора (см. фиг. 1), делится на ток i₁, втекающий в эмиттер транзистора 5, и ток i₂, втекающий в эмиттер транзистора 6, то есть:
i_кв = i₁ + i₂. (1)
В свою очередь токи i₁ и i₂ делятся на токи i₃, i₅ и i₄, i₆ соответственно:
i₁=i₃+i₅; i₂=i₄+i₆. (2)
Токи i₅ и i₆ втекают в эмиттеры транзисторов 1 и 2 и поступают далее на входы токовых отражателей 14 и 15, соответственно. Токи i₃, i₄, протекая через конденсаторы 12, 13 и транзисторы 3, 4, соответственно, поступают на элемент с полным внутренним сопротивлением 8.

Вследствие того, что усилительный элемент 7 охвачен глубокой отрицательной обратной связью через транзисторы 1, 5, 2, 6, напряжения на его входах с высокой точностью поддерживаются одинаковыми.

Поэтому напряжение в точках подключения кварцевого резонатора равно напряжению на двухполюсном элементе с полным внутренним сопротивлением:
U_аб = Z(i₃ + i₄), (3)
где Z - сопротивление элемента 8, а для переменных составляющих базо-эмиттерных напряжений транзисторов 4, 5 и 3, 6 справедливы следующие соотношения:
U_бэ3 + U_бэ6 = 0; U_бэ4 + U_бэ5. (4)
В силу принятых допущений переменное напряжение между базами транзисторов 1 и 2 равно нулю. Поэтому:
U_бэ1 + U_бэ5 + U_бэ6 + U_бэ2, (5)
где U_бэ1, U_бэ2, U_бэ5, U_бэ6 - переменные составляющие базо-эмиттерных напряжений транзисторов 1, 2, 5 и 6, соответственно.

Представляя базо-эмиттерные напряжения с помощью уравнения Эберса-Молла и выделяя из них переменные составляющие, приведем соотношения (4), (5) к следующему виду:



или



Система уравнений (1), (2), (3), (6) определяет зависимость напряжения U_аб на входе активной части генератора от тока кварца (вольт-амперную характеристику активной части генератора), которую можно записать в следующем виде:

где


Графическое изображение этой зависимости приведено на фиг. 2, где
Малосигнальное значение отрицательного сопротивления активной части равно:

Так как Z_аб0 и уровень ограничения напряжения в активной части генератора U_m по-разному зависят от токов I₀₁ и I₀₂, эти параметры можно независимо перестраивать путем изменения величины и соотношения данных токов.

Таким образом, данный кварцевый генератор, сохраняя присущую прототипу высокую стабильность вольт-амперной характеристики активной части, а также возможность регулирования ее параметров в широких пределах, выгодно отличается от него тем, что усилительный элемент работает в линейном малосигнальном режиме, чем обеспечивается снижение инерционности активной части генератора, обусловливающее повышение стабильности частоты генерируемых колебаний.

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования в качестве высокостабильного источника опорной частоты в составе экономичной малогабаритной радиоэлектронной аппаратуры. Сущность изобретения заключается в том, что в кварцевый генератор, содержащий транзисторы, усилительный элемент, элемент с полным внутренним сопротивлением, кварцевый резонатор, источник тока, токовые отражатели, введены транзисторы, источник тока, конденсаторы и схема смещения уровня, а также изменены связи в схеме генератора, что обеспечило работу усилительного элемента в линейном малосигнальном режиме, в котором он имеет минимальную инерционность и оказывает наименьшее дестабилизирующее влияние на частоту генерируемых колебаний. Достигаемый технический результат - повышение стабильности частоты. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Кварцевый генератор, содержащий первый и второй транзисторы, коллекторы которых соединены с входами соответственно первого и второго токовых отражателей, выходы которых соединены и являются выходом кварцевого генератора, третий и четвертый транзисторы, эмиттеры которых соединены с неинвертирующим входом усилительного элемента, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора, второй вывод которого соединен с первым выводом элемента с полным внутренним сопротивлением и общей шиной, база и коллектор третьего транзистора соединены с выходом первого источника тока, общая шина первого токового отражателя соединена с первой шиной питания, отличающийся тем, что в него дополнительно введены пятый и шестой транзисторы, эмиттеры которых соединены с первым выводом кварцевого резонатора, база и коллектор пятого транзистора соединены с эмиттером первого транзистора, база и коллектор шестого транзистора соединены с эмиттером второго транзистора, первый конденсатор, включенный между коллекторами четвертого и пятого транзисторов, второй конденсатор, включенный между коллекторами третьего и шестого транзисторов, второй источник тока, выход которого соединен с базой и коллектором четвертого транзистора, схема смещения уровня, вход которой соединен с выходом усилительного элемента, а первый и второй выходы соединены с базами соответственно первого и второго транзисторов, общая шина второго токового отражателя соединена со второй шиной питания, второй вывод элемента с полным внутренним сопротивлением соединен с эмиттером третьего транзистора. 2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что схема смещения уровня содержит седьмой транзистор, база и коллектор которого соединены с выходом третьего источника тока и являются первым выходом схемы смещения уровня, эмиттер соединен с базой и коллектором восьмого транзистора, эмиттер которого является входом схемы смещения уровня и соединен с эмиттером девятого транзистора, база и коллектор которого соединены с эмиттером десятого транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом четвертого источника тока и являются вторым выходом схемы смещения уровня, первый и второй выходы схемы смещения уровня соединены с ее входом через соответствующие третий и четвертый конденсаторы.