КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2004 года по МПК H03B5/36 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для генерации электрических сигналов, стабилизированных кварцевыми резонаторами, в частности, в пьезорезонансных датчиках.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является кварцевый генератор (см. патент US №4782309, кл. Н 03 В 5/32, 5/38 от 06.26.1987 г., опубликованный 01.11.1988 г.), содержащий дифференциальный усилитель, четырехплечий емкостной мост, в одно из плеч которого включен кварцевый резонатор. Одна из диагоналей моста подключена к выходу усилителя, а другая диагональ подключена к его дифференциальным входам. Указанное выше устройство взято в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является невозможность нормальной работы с кварцевыми резонаторами, имеющими большое значение эквивалентного сопротивления - R_к(R_к>500 кОм), которые могут быть у стержневых кварцевых резонаторов с изгибной формой колебаний и резонансной частотой более 60 кГц. При этом статическая емкость резонатора С₀ может достигать значения 1 пФ. При указанных параметрах резонатора оказываются неработоспособными и другие известные варианты генераторов.

Решаемой задачей является обеспечение устойчивой работы генератора с кварцевыми резонаторами, имеющими значение эквивалентного сопротивления 800 и более кОм при статической емкости порядка 1 пФ и резонансной частоте более 60 кГц.

Технический результат достигается тем, что в кварцевом генераторе, содержащем дифференциальный каскад, усилитель, выход которого соединен с первыми выводами кварцевого резонатора и конденсатора, введены два резистора, подключенные к входам дифференциального каскада, выполненного на двух МОП-транзисторах, сток первого из которых соединен с истоком второго транзистора с образованием общей точки, которая является выходом дифференциального каскада и соединена со входом основного усилителя; исток первого и сток второго МОП-транзисторов соединены с источником питания, затвор первого МОП-транзистора соединен со вторым выводом конденсатора и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен со стоком первого МОП-транзистора, затвор второго МОП-транзистора соединен со вторым выводом кварцевого резонатора и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен со стоком второго МОП-транзистора.

На фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема одного из возможных вариантов кварцевого генератора, согласно предлагаемого изобретения.

На фиг.2 изображена принципиальная электрическая схема дифференциального каскада с присоединенными к нему элементами моста.

На фиг.3 изображена электрическая принципиальная схема кварцевого генератора с использованием микросхем типа 564ЛН2(561ЛН2, 765ЛН2).

Кварцевый генератор состоит из RC-моста на элементах:

1 - кварцевый резонатор; 2 - нейтрализующая емкость; первый резистор 4, второй резистор 3, дифференциального каскада на последовательно соединенных КМОП-транзисторах - 5, 6; выходом дифференциального каскада является точка 7 соединения истока второго транзистора 5 и стока первого транзистора 6; усилителя 8 (показан на фиг.1 пунктиром). Выход усилителя 8 соединен с точкой соединения соответственно первых выводов кварцевого резонатора 1 и конденсатора 2. Вторые выводы кварцевого резонатора 1 и конденсатора 2 соединены соответственно с затворами транзисторов 5, 6 и первыми выводами резисторов 3, 4. Вторые выводы резисторов 3, 4 соединены соответственно со стоками транзисторов 5, 6. Выход дифференциального каскада (точка 7) соединен с входом усилителя 8, который в представленном на фиг.1 варианте выполнен на двух комплиментарных парах КМОП-транзисторов.

Устройство работает следующим образом. Источник питания подключают к стоку транзистора 5 и истоку транзистора 6. Напряжение смещения, задающее режим работы транзисторов 5, 6, подается через резисторы 3 и 4 соответственно. Значение сопротивления резисторов 3, 4 выбираются из условия минимального влияния на добротность кварцевого резонатора. При этом значение сопротивления резисторов 3, 4 должно быть значительно (на порядок) меньше, чем динамическое сопротивление кварцевого резонатора. Выбором значений сопротивлений 3, 4 и емкости конденсатора 2 обеспечивается подавление синфазного сигнала (подаваемого на общую точку кварцевого резонатора 1 и конденсатора 2) на выходе дифференциального каскада (точка 7) с частотами, при которых отсутствуют колебания кварцевого резонатора. На частоте последовательного резонанса кварцевого резонатора 1 мост, образованный элементами 1, 2, 3, 4, 5, 6, становится разбалансированным и сигнал, подаваемый на общую точку кварцевого резонатора 1 и конденсатора 2, проходит на выход дифференциального каскада.

Коэффициент передачи моста и дифференциального каскада приближенно определяется выражением:

где R_BX1 - значение сопротивления 3, подключенного к затвору транзистора 5;

R_к - динамическое сопротивление кварцевого резонатора 1.

Условием устойчивой генерации кварцевого генератора будет:

или

где К_у - коэффициент усиления усилителя 8.

Вторым условием возникновения устойчивой генерации в системе (фиг.1) является обеспечение баланса фаз, для этого усилитель 8 должен быть неинвертирующим с минимальными фазовыми искажениями на частоте генерации. Изображенное на фиг.1 устройство является системой с положительной обратной связью и в случае выполнения указанных выше условий в ней при подаче напряжения питания возникает генерация с частотой, близкой к механическому резонансу кварцевого резонатора 1.

Условие подавления синфазного сигнала (нейтрализация шунтирующего влияния статической емкости С₀ кварцевого резонатора) может быть найдено при анализе эквивалентной схемы с подключенным к нему дифференциальным каскадом, изображенной на фиг.2.

Нейтрализация компоненты тока кварцевого резонатора Q_z, определяемой его статической емкостью С₀, достигается использованием мостовой схемы, два плеча которой образуют кварцевый резонатор Q_z и нейтрализующий конденсатор (C₁), емкость которого приблизительно равна статической емкости С₀ резонатора Q_z. Функцию остальных двух плеч моста выполняют резисторы R₁, r₂, сопротивления которых также примерно одинаковые. Значение резистора нагрузки R₁ выбирается из условия минимального влияния на добротность кварцевого резонатора, т.е.

При этом реализуется следующее соотношение:

и

где , - модули импедансов статической емкости кварцевого резонатора и нейтрализующей емкости C₁;

ω=ω_p - частота переменного напряжения U_г, близкая к значению резонансной частоты кварцевого резонатора.

С учетом условий (4), (5), (6) значения токов в резисторах R₁, R₂ в первом приближении могут быть определены выражениями:

Напряжения, выделяемые на резисторах R₁, R₂ от протекания по ним токов I_R1, I_R2, будут соответственно равны:

Выходное напряжение дифференциального каскада U_вых как функция токов I_R1, I_R2 может быть найдено из известных уравнений, определяющих режим работы транзисторов T₁, T₂:

где I_C - ток стока полевого транзистора в режиме насыщения;

К - постоянный коэффициент, определяемый конструкцией транзистора;

U_зи - напряжение между стоком и истоком транзистора;

U_n - пороговое напряжение;

Используя отношения выражений для I_C (11) и S (12) транзисторов T₁, Т₂ с учетом равенства их токов с тока получим:

где индексы при S, U_зи и U_п относятся к транзисторам T₁, Т₂ соответственно.

Для каскодно включенных согласно схемы фиг.2 транзисторов T₁, T₂ напряжения между затвором и истоком соответственно равны:

Из уравнений (13), (14), (15) следует:

или

В выражении (16) для U_вых первые два члена определяют постоянную составляющую, зависящую от параметров транзисторов T₁ и Т₂ и напряжения источника питания U_cc; третий член определяет полезный сигнал, связанный с колебаниями резонатора; последний член определяется разностью емкостных токов через конденсаторы С₀ и C₁.

Условием нейтрализации тока через Со будет соблюдение равенства:

Из формулы (17) видно, что условие нейтрализации тока через С₀ может быть осуществлено регулировкой значения параметра одного из трех элементов, входящих в мост: сопротивлением резисторов R₁, r₂ или емкостью конденсатора C₁.

При близких значениях крутизны транзисторов, входящих в дифференциальный каскад (S₁ ≈ S₂), его коэффициент передачи по напряжению будет равен:

коэффициент передачи моста и дифференциального каскада К∑ равен:

В связи с необходимостью выполнения условия R_к>>R₁ коэффициент К∑<<1 и для обеспечения условий генерации, после дифференциального каскада в цепь обратной связи должен быть включен усилитель с коэффициентом усиления К_ус.

Практическая реализация кварцевого генератора осуществлена с использованием микросхем типа 564ЛН2 (765ЛН2, 561ЛН2); его принципиальная электрическая схема приведена на фиг.3. Работоспособность генератора согласно схемы фиг.3 проверена с кварцевыми камертонными резонаторами с резонансной частотой 100...110 кГц, R_к=1...2 МОм и С₀=0,6...0,8 пФ. Значения сопротивления резисторов R₁, R₂, R₃ принято равным 100 кОм; нейтрализация емкости С₀ производилась изменением емкости конденсатора C₁ или сопротивления резистора R₂.

В качестве транзисторов дифференциального каскада T₁(T₂) использовался n-канальный транзистор одной из шести комплиментарных пар указанных выше микросхем, при этом вывод "+" напряжения питания (14) не задействовался, а вывод "-" питания использовался как вывод истока; выводом стока является выход инвертора, а его вход - затвором транзистора. Работоспособность указанного выше кварцевого генератора подтверждена несколькими десятками изготовленных и испытанных образцов; генератор используется в одной из разработок датчика механического параметра на основе силочувствительного резонатора.

Изобретение относится к области электронной техники и может использоваться в пьезорезонансных датчиках. Достигаемый технический результат - обеспечение устойчивой работы. Кварцевый генератор содержит дифференциальный каскад, который выполнен на одинаковых МОП-транзисторах, усилитель, кварцевый резонатор, конденсатор и два резистора. 3 ил.

Кварцевый генератор, содержащий дифференциальный каскад, усилитель, выход которого соединен с первыми выводами кварцевого резонатора и конденсатора, отличающийся тем, что дополнительно введены два резистора, а дифференциальный каскад выполнен на одинаковых МОП-транзисторах, сток первого из которых соединен с истоком второго МОП-транзистора с образованием общей точки, которая является выходом дифференциального каскада и соединена с входом усилителя, исток первого и сток второго МОП-транзисторов соединены с источником питания, затвор первого МОП-транзистора соединен со вторым выводом конденсатора и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен со стоком первого МОП-транзистора, затвор второго МОП-транзистора соединен со вторым выводом кварцевого резонатора и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен со стоком второго МОП-транзистора.