КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2005 года по МПК H03B5/32 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для получения высокостабильных по частоте электрических колебаний.

Известны высокостабильные кварцевые генераторы на основе кварцевых резонаторов двухповоротных срезов ТД и их зарубежных аналогов СЦ, отличающиеся рядом лучших характеристик по сравнению с генераторами на резонаторах широко применяемых одноповоротных срезов AT и БТ с толщинно-сдвиговыми колебаниями [1].

Существенный недостаток таких генераторов связан с необходимостью подавления колебаний побочной моды В, более активной, чем рабочая мода С, имеющей частоту всего на 9% выше рабочей и присущей не только резонаторам срезов ТД (СЦ), но, в разной степени, всем резонаторам двухповоротных срезов, возбуждаемым традиционным способом, то есть перпендикулярным полем.

Так, известен генератор, представляющий собой усилитель, в цепь положительной обратной связи (ПОС) которого включен кварцевый резонатор среза СЦ как частотозадающее звено, а для устранения нежелательных колебаний моды В применен дополнительный режекторный фильтр, пьезоэлектрический или на основе настраиваемых LC элементов [2].

Однако, фильтрующие элементы, особенно LC, обладают значительно большей нестабильностью параметров, чем кварцевый резонатор, и ощутимо снижают стабильность частоты генератора, усложняют его схему и удорожают производство.

Известны также высокостабильные кварцевые генераторы, использующие резонаторы среза ТД, возбуждаемые параллельным полем, в которых селекция мод осуществляется в самом резонаторе [3].

Но такие резонаторы обладают существенно более высоким динамическим сопротивлением, что затрудняет их согласование со схемой генератора. Это отрицательно сказывается на стабильности частоты и уровне шумов в выходном сигнале генератора. Производство таких резонаторов требует специальной аппаратуры для контроля их параметров, поскольку в невакуумированном состоянии динамические сопротивления особенно велики. Поэтому генераторы на резонаторах, возбуждаемых параллельным полем, до настоящего времени практического применения не нашли.

Наиболее близки к предлагаемому техническому решению кварцевые генераторы, упоминаемые в последних двух источниках информации, однако, прототипом считаем генератор с классическим, наиболее эффективным способом возбуждения кварцевого резонатора перпендикулярным полем.

Задачей предлагаемого технического решения является устранение перечисленных недостатков каждого из аналогов и использование их достоинств для обеспечения более высокой стабильности частоты генератора и упрощения его производства.

Поставленная задача решается тем, что один из электродов кварцевого резонатора двухповоротного среза, возбуждаемого перпендикулярным полем, разделен на две половины по прямой, проходящей через его центр под углом 90° к направлению параллельной составляющей вектора поляризации колебаний рабочей моды, причем каждая половина подключена к усилителю таким образом, что противофазная составляющая напряжения на половинах разделенного электрода может поступать на вход усилителя в качестве напряжения ПОС, а выходное напряжение усилителя синфазно может подаваться на обе половины разделенного электрода для возбуждения колебаний в кварцевом резонаторе. Другой электрод резонатора соединен с общей шиной.

В частном случае предполагается наличие в генераторе корректора частоты, например, варикапа, который включается в разрыв цепи, соединяющей электрод резонатора с общей шиной.

Примером реализации предлагаемого технического решения является кварцевый генератор, схема которого представлена на чертеже.

Он содержит кварцевый резонатор 1 двухповоротного среза, один из электродов которого разделен на две половины по прямой, проходящей через его центр под углом 90° к направлению параллельной составляющей вектора поляризации колебаний рабочей моды, например, моды С, причем одна половина подключена к концу, а другая - к началу обмотки дифференциального трансформатора 2, средняя точка которой соединена с выходом усилителя 3, вход которого подключен к другой обмотке дифференциального трансформатора таким образом, что противофазная составляющая напряжения на половинах разделенного электрода может поступать в качестве напряжения ПОС на вход усилителя 3, выходное напряжение которого может синфазно подаваться на половины разделенного электрода для возбуждения колебаний в кварцевом резонаторе.

В предлагаемом генераторе функции возбуждения механических колебаний в образцовой колебательной системе кварцевого резонатора и снятия электрической информации о них разделены и выполняются иным образом, чем в известных генераторах.

Основные толщинно-сдвиговые колебания в кварцевых резонаторах двухповоротных срезов, относящиеся к модам В и С, происходят в двух взаимно перпендикулярных направлениях в плоскости, близкой к плоскости среза пьезоэлемента. Возбужденные механические колебания вследствие прямого пьезоэффекта сопровождаются соответствующими векторами поляризации, каждый из которых имеет перпендикулярную и параллельную плоскости пьезоэлемента составляющие, причем параллельные составляющие для разных мод, как и сами колебания, разнонаправлены. Внешнее поле, совпадающее по направлению с какой-либо из составляющих и имеющее нужную частоту, способно вызывать колебания именно той моды, которой соответствуют частота и направление поля [4].

Поэтому классический способ возбуждения перпендикулярным полем не избирателен по отношению к модам колебаний, но обеспечивает хорошую электромеханическую связь колеблющихся пьезоэлементов с внешними цепями и низкие динамические сопротивления резонаторов. Возбуждение пьезоэлементов параллельным полем соответствующего направления может вызывать колебания только определенной моды, но отличается слабой электромеханической связью, и, как следствие, резонаторы обладают повышенными динамическими сопротивлениями. Оба способа предполагают взаимодействие резонатора со схемой генератора исключительно по реакции резонатора в цепи возбуждения.

Новым в заявляемом генераторе является использование перпендикулярного поля для возбуждения колебаний в кварцевом резонаторе, а параллельного - для получения электрического напряжения ПОС, обеспечивающего избирательность возбуждения рабочей моды без дополнительных селектирующих элементов в схеме генератора и определяющего частоту генерации.

При работе генератора напряжение, с выхода усилителя 3 через дифференциальный трансформатор 2 поступающее на обе половины разделенного электрода синфазно, создает в кварцевом резонаторе 1 перпендикулярное поле и эффективно возбуждает колебания моды С как в обычном двухэлектродном резонаторе. Низкое динамическое сопротивление его хорошо согласуется с низкоомным выходом усилителя 3, в результате максимально проявляются резонансные свойства кварцевого резонатора 1.

Параллельная составляющая вектора поляризации возбужденного колебания наводит на половинах разделенного электрода противофазное относительно общей шины напряжение, которое через дифференциальный трансформатор 2 поступает на вход усилителя 3. Будучи усиленным, оно в фазе подается, как уже отмечалось, на кварцевый резонатор 1, поддерживая колебания и замыкая тем самым цепь ПОС. Относительно слабая электромеханическая связь, как в резонаторах с параллельным полем, в данном случае не ухудшает условия возникновения колебаний - они возбуждаются перпендикулярным полем, а повышенное динамическое сопротивление источника напряжения легко согласуется с высокоомным входом усилителя 3.

Для колебаний всех порядков моды В цепь ПОС разомкнута, поскольку параллельная составляющая вектора поляризации этих колебаний направлена вдоль зазора между половинами электрода кварцевого резонатора 1 и практически не изменяет их потенциалов. Следовательно, колебания моды В возбудиться не могут.

Прочие побочные резонансы также не способны вызвать генерацию, поскольку в правильно разработанном резонаторе конструктивными мерами они, как правило, снижены до необходимо малого уровня.

Таким образом, в кварцевом генераторе возбуждаются только колебания на частоте рабочей моды С. Принципиальное отсутствие каких-либо частотоизбирательных элементов, кроме самого кварцевого резонатора, а также хорошее согласование его со схемой по входу и выходу существенно повышают стабильность генерируемой частоты. Схема генератора предельно проста и может функционировать на частоте, определяемой только кварцевым резонатором без дополнительной подстройки элементов и принципиальных ее изменений. Вместе с тем, как известно, хорошее согласование элементов схемы улучшает ее шумовые характеристики, а в случае с кварцевым резонатором еще и позволяет наилучшим образом реализовать его резонансные свойства. В производстве кварцевого резонатора полностью сохраняются технологические процессы и весь парк измерительных приборов, так как с соединенными вместе выводами половин электрода кварцевый резонатор тождественен традиционному двухэлектродному.

Зазор, разделяющий половины электрода резонатора, направлен так же, как в резонаторах с параллельным полем возбуждения, при котором рабочая мода наиболее активна. Отклонение в несколько градусов от указанного направления изменяет степень подавления побочной моды, однако, ее уровень остается намного ниже допустимого порога, после которого могут возникнуть нежелательные колебания. Условия возбуждения рабочих колебаний при этом практически не изменяются.

Для проверки предлагаемых технических решений были изготовлены в соответствии с описанием изобретения кварцевые резонаторы среза ТД (ухЫ / 23°25’ / 34° и yzlb / 23°25’ / 34°) на частоты 5 МГц и 10 МГц для колебаний третьего порядка моды С и макет кварцевого генератора на микросхеме 175УВЗА. Направление зазора между половинами разделенного электрода кварцевого резонатора определяли до их напыления на пьезоэлемент по максимальной интенсивности колебаний моды С при возбуждении пьезоэлемента параллельным полем на аналогичных электродах технологического генератора. Напыление электродов проводили с сохранением полученной ориентации с точностью в несколько градусов. После вакуумирования резонаторов их подключали к макету генератора. Резонаторы устойчиво возбуждались в макете только на частоте колебаний моды С, то есть 5 МГц или 10 МГц, без каких-либо изменений в схеме генератора.

Были проведены сравнительные измерения уровня фазовых шумов одного и того же макета генератора и резонатора на 10 МГц при неизменном уровне возбуждения резонатора, включенного в соответствии с предлагаемыми техническими решениями и по традиционной двухполюсной схеме с соединенными между собой выводами половин разделенного электрода с введением дополнительных LC элементов частотной селекции в схему генератора. В первом случае уровень фазовых шумов при отстройках от 100 Гц до единиц килогерц оказался несколько меньшим, чем при классическом варианте включения (относительная спектральная плотность мощности фазовых шумов при отстройке от несущей 1 кГц была меньше на 6-10 дБ/Гц).

Измерения нестабильности частоты генератора от воздействия дестабилизирующих факторов, предполагающие его точную конструкторскую проработку и применение термостатирования, не поводили. Однако, ввиду отсутствия частотоизбирательных цепей в схеме генератора, можно предположить принципиально более высокую стабильность частоты, чем у генератора с дополнительными селектирующими элементами.

В порядке эксперимента были изготовлены кварцевые резонаторы среза yzlb / 23°25’ / 34° на частоту 10 МГц для колебаний третьего порядка моды С, в которых зазор, разделяющий электрод, ориентирован вдоль длины пьезозлемента (угловая погрешность относительно оптимального направления около 25°). Они также уверенно возбуждались в макете генератора на частоте 10 МГц.

При изготовлении кварцевых резонаторов использованы стандартные технологии и измерительные приборы.

Частный случай исполнения генератора с применением корректора частоты проверяли путем подключения варикапа к схеме макета генератора, как указано в предлагаемом техническом решении. В результате подтверждена возможность коррекции частоты генератора.

Следует заметить, что большинство современных усилителей имеет дифференциальный вход, что позволяет упростить схему генератора, представленную на чертеже, путем исключения из нее обмотки дифференциального трасформатора, соединенной со входом усилителя. Инвертирующий и неинвертирующиий входы такого усилителя можно подключить непосредственно каждый к своей половине разделенного электрода резонатора.

Технологически более простой вариант схемы генератора без моточных изделий, допускающий микроэлектронное исполнение, может быть реализован, например, с помощью дифференциальной транзисторной схемы на двух транзисторах. Соединенные между собой базы транзисторов следует подключить к выходу усилителя, каждый из эмиттеров - к своей половине разделенного электрода резонатора, а коллекторы - соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам усилителя. Работа такого генератора полностью соответствует предлагаемому техническому решению, поскольку выходное напряжение усилителя синфазно передается как в каскадах с общим коллектором в эмиттерные цепи транзисторов, следовательно, и на половины разделенного электрода. Противофазная составляющая напряжения на половинах разделенного электрода резонатора передается транзисторами в коллекторные цепи как в каскадах с общей базой и поступает на вход усилителя в качестве напряжения ПОС.

Таким образом, предлагаемые технические решения обеспечивают более высокие технические и технологические характеристики кварцевого генератора по сравнению с аналогами.

Источники информации

1. Пьезоэлектрические резонаторы: Справочник. - М.: Радио и связь, 1992. - 392 с.

2. Burgoon R., Wilson R. Design aspects of an oscillator using the SC-cut cristal // Proc. 33-th ASFC. - 1979. - P.411-416.

3. Абрамзон И. В., Дикиджи А. Н. Высокостабильные кварцевые генераторы ТД-среза // Техника средств связи. Сер. ТРС. - 1987. - Вып.6. - С.73-75.

4. Смагин А.Г., Ярославский М.И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. - М.: Энергия, 1970. - 488 с.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для получения высокостабильных по частоте электрических колебаний. Достигаемый технический результат - обеспечение более высокой стабильности частоты генератора. Кварцевый генератор содержит кварцевый резонатор двухповоротного среза с электродами для возбуждения его перпендикулярным полем, который включен в цепь положительной обратной связи усилителя, при этом один электрод кварцевого резонатора соединен с общей шиной, а второй разделен на две половины по прямой, проходящей через его центр под углом 90° к направлению параллельной составляющей вектора поляризации колебаний рабочей моды. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Кварцевый генератор, содержащий усилитель, кварцевый резонатор двухповоротного среза с электродами для возбуждения его перпендикулярным полем, который включен в цепь положительной обратной связи усилителя, отличающийся тем, что один электрод кварцевого резонатора соединен с общей шиной, а второй разделен на две половины по прямой, проходящей через его центр под углом 90° к направлению параллельной составляющей вектора поляризации колебаний рабочей моды, причем каждая половина подключена к усилителю таким образом, что противофазная составляющая напряжения на половинах разделенного электрода может поступать на вход усилителя в качестве напряжения положительной обратной связи, а выходное напряжение усилителя синфазно может подаваться на обе половины разделенного электрода для возбуждения колебаний в кварцевом резонаторе.2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что электрод кварцевого резонатора соединен с общей шиной через корректор частоты, например через варикап.