КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2007 года по МПК H03B5/36 

Устройство относится к радиотехнике и может быть использовано в устройствах генерирования и преобразования частоты импульсных сигналов.

Создание стабильных опорных генераторов импульсных сигналов основывается как на выборе конфигурации и элементов схемы, так и задании оптимальных рабочих режимов (см., например, книгу: Альтшуллер Г.Б. Кварцевая стабилизация частоты. М.: Связь, 1974. 272 с.). Для обеспечения стабилизации частоты при изменении температуры выбирают схемы кварцевых автогенераторов, использующие соответствующее схеме включение кварцевых резонаторов (например, схему Батлера), отбирают элементы схемы (прецизионные кварцевые резонаторы, термостабильные активные и пассивные элементы), применяют схемы термокомпенсации и термостабилизации.

Применение сложных схем термостабилизации (см., например, книгу: Альтшуллер Г.Б. Кварцевая стабилизация частоты. М.: Связь, 1974. С.206-228) приводит к существенному увеличению габаритов устройства, увеличению потребляемой мощности, длительному периоду выходу в рабочий режим после включения.

Применяемые схемы термокомпенсации (см., например, книгу: Альтшуллер Г.Б. Кварцевая стабилизация частоты. М.: Связь, 1974. С.229-246, патенты РФ 1059655 и 2079205, Н03В 5/32) основываются на разбиении нелинейной температурно-частотной характеристики (ТЧХ) кварцевого резонатора на участки, где ТЧХ кварцевого резонатора приблизительно линейна. Обычно для среза AT кварцевого резонатора выделяют три таких участка (см., например, книгу: Альтшуллер Г.Б. Управление частотой кварцевых генераторов частоты. М.: Связь, 1975. С.22, рис.2.3.2) и для каждого из перечисленных участков рассчитывают элементы схемы термокомпенсации и с помощью схемы управления осуществляют подключение соответствующих элементов. Это сильно усложняет как подбор элементов схемы, так и настройку работы генератора.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому является кварцевый генератор с термокомпенсацией по пат. РФ №2079205, Н03В 5/32, принятый за прототип.

Схема устройства-прототипа представлена на фиг.1, где обозначено:

3, 4, 13.2, 13.3, 15, 16, 17 - биполярные транзисторы;

7 - кварцевый резонатор;

10, 11 - токовые отражатели;

12, 13.1 - источники тока;

13 - дифференциальный каскад;

14 - двухполюсный элемент с полным внутренним сопротивлением.

Кварцевый генератор-прототип содержит биполярные транзисторы разного типа проводимости 3, 4, 15, 16, 17, дифференциальный каскад 13, кварцевый резонатор 7, источник ток 12, два токовых отражателя 10 и 11 и двухполюсный элемент с полным внутренним сопротивлением 14. При этом биполярные транзисторы 3 и 15 идентичны, биполярные транзисторы 2, 16 и 17 также идентичны. Дифференциальный каскад 13 состоит из двух идентичных биполярных транзисторов 13.2 и 13.3, эмиттеры которых соединены с источником тока 13.1.

Особенностью кварцевого генератора-прототипа является использование усилителя постоянного тока на биполярных транзисторах разного типа проводимости, двух токовых отражателей и двухполюсного элемента с полным внутренним сопротивлением, которые обеспечивают режим самовозбуждения в заданном диапазоне температур.

Недостатками устройства-прототипа является сложность в настройке и низкий к.п.д.

Для устранения указанных недостатков в кварцевый генератор, содержащий два биполярных транзистора разного типа проводимости и кварцевый резонатор, согласно изобретению введены однопереходный транзистор, биполярный диод, нагрузочный резистор и делитель на двух резисторах, общая точка которых подключена к эмиттеру однопереходного транзистора, первая база которого соединена с первым выводом кварцевого резонатора и эмиттером первого биполярного транзистора, база которого соединена с катодом биполярного диода и коллектором второго биполярного транзистора, эмиттер которого через нагрузочный резистор соединен с выводом второго резистора делителя напряжения, вторым выводом кварцевого резонатора и общей шиной, а анод биполярного диода соединен со второй базой однопереходного транзистора, выводом первого резистора делителя напряжения и шиной питания.

На фиг. 2 приведена схема предлагаемого кварцевого генератора, где обозначено:

1 - однопереходный транзистор;

2 - биполярный диод;

3, 4 - первый и второй биполярные транзисторы разного типа проводимости;

5, 6 - первый и второй резисторы делителя напряжения;

7 - кварцевый резонатор;

8 - нагрузочный резистор.

Предлагаемый кварцевый генератор содержит однопереходный транзистор 1, эмиттер которого соединен со средней точкой делителя напряжения на резисторах 5 и 6, первая база транзистора 1 соединена с первым электродом кварцевого резонатора 7 и эмиттером первого биполярного транзистора 3, база которого соединена с коллектором второго биполярного транзистора 4 и катодом полупроводникового диода 2, анод которого соединен со второй базой однопереходного транзистора 1 и шиной питания. При этом второй электрод кварцевого резонатора 7 соединен с выводом резистора делителя напряжения 6 и общей шиной, эмиттер второго биполярного транзистора 4 через нагрузочный резистор 8 соединен с общей шиной. Выходом кварцевого генератора является точка соединения эмиттера второго биполярного транзистора 4 и вывода нагрузочного резистора 8 и общая шина.

Предлагаемый кварцевый резонатор работает следующим образом. При подаче напряжения питания на шину ток, протекающий через первую базу однопереходного транзистора 1, попадает в эмиттер первого биполярного транзистора 3, вызывая открытие второго биполярного транзистора 4. За счет внутренней положительной обратной связи происходит быстрое открытие транзистора 4 и, соответственно, транзистора 3. Через биполярный диод 2 протекает большой ток, но за счет нелинейности характеристики биполярного диода 2 напряжение на нем увеличивается незначительно с возрастанием тока. Ток, протекающий через однопереходный транзистор 1, практически линейно увеличивает падение напряжения на однопереходном транзисторе 1. Поэтому наступает положение, при котором переход эмиттер-база однопереходного транзистора 1 оказывается смещенным в запирающем направлении. Транзистор 3 запирается, а за счет положительной обратной связи запирается и транзистор 4. Ток через нагрузочный резистор 8 резко падает. В результате на резисторе 8 формируются короткие импульсы, период которых определяется резонансной частотой кварцевого резонатора 7.

Выбор схемы предлагаемого кварцевого генератора основывается на следующих расчетах.

Как известно (см. книгу: Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия. 1973. С.196, рис.4.19, б), статический коэффициент усиления по току биполярного транзистора B(I_Э) может описываться формулой:

где I_э - ток эмиттера биполярного транзистора; А, С, D - некоторые коэффициенты, зависящие от температуры кристалла.

Если обозначить напряжение питания через E_П, а напряжение относительно общей шины на эмиттере первого биполярного транзистора 3 (фиг.2) через U₁, а на его базе - через U₂, то падение напряжения на биполярном диоде 2 будет равно:

где I₂ - ток диода 2; I_S2 - тепловой ток перехода диода; ϕ_T - температурный потенциал.

Падение напряжения на переходе база-эмиттер U_БЭ первого биполярного транзистора 3 будет равно:

где I₁ - эмиттерный ток транзистора 3; I_S1 - тепловой ток перехода база-эмиттер транзистора 3; ϕ_T - температурный потенциал.

Принимая, что ток эмиттера транзистора 3 равен току коллектора и, следовательно, справедлива формула

Исключая напряжение U₂ с помощью формул (2) и (3), получим

Подставляя формулу (1) в выражение (5), получим

Производная выражения (6) по току дает входное сопротивление на входе биполярного транзистора 3. Оно может быть как положительным, так и отрицательным. Если ток эмиттера транзистора 3 больше С/D, то входное сопротивление будет отрицательным, обеспечивая режим регенерации для различных значений температур.

Введение однопереходного транзистора 1 обеспечивает компенсацию температурного ухода частоты предлагаемого кварцевого генератора исходя из следующих соображений.

Частота резонанса кварцевого резонатора 7 зависит как от температуры кристалла (фиг.3), так и от приложенного напряжения (фиг.4).

Поэтому для термокомпенсации температурного ухода частоты кварцевого резонатора 7 (см. см. книгу: Альтшуллер Б.Г. Кварцевая стабилизация частоты. М.: Связь, 1974, рис.12.9) необходимо использовать последовательно соединенный термозависимый резистор, обеспечивающий термокомпенсацию. Предлагается использовать в качестве термокомпенсатора однопереходный транзистор 1 (см. книгу: Недолужко И.Г., Сергиенко Е.Ф. Однопереходные транзисторы. М.: Энергия, 1974. 104 с.).

Однопереходные транзисторы имеют межбазовое сопротивление в диапазоне 1÷20 кОм, что необходимо для обеспечения регенеративного режима схемы на двух транзисторах разного типа проводимости 3 и 4. Температурный коэффициент межбазового сопротивления (ТКМС) однопереходного транзистора 1 постоянен в диапазоне температур (-55)÷(+140)° С и зависит от напряжения эмиттер-база однопереходного транзистора 1 (см. книгу: Недолужко И.Г., Сергиенко Е.Ф. Однопереходные транзисторы. М.: Энергия, 1974. С.27). Следовательно, значение температурного коэффициента межбазового сопротивления однопереходного транзистора 1 регулируется установкой тока эмиттера с помощью делителя на двух резисторах 5 и 6. С увеличением температуры межбазовое сопротивление возрастает, что приводит к снижению постоянного напряжения на кварцевом резонаторе 7 (фиг. 2).

На фиг. 3 приведены температурно-частотные характеристики кварцевого резонатора среза AT, показывающие, что в диапазоне температур (-20÷+60)°С температурный коэффициент частоты (ТКЧ) сохраняет постоянное значение (см. книгу: Альтшуллер Б.Г. Управление частотой кварцевых генераторов. М.: Связь, 1975, рис.2.5.3. С.22).

На фиг. 4 приведена зависимость изменения частоты прецизионного кварцевого резонатора 7 от постоянного напряжения на электродах пластины (см. книгу: Альтшуллер Б.Г. Управление частотой кварцевых генераторов. М.: Связь, 1975, рис.3.1.2. С.27), которая отличается высокой линейностью.

Следовательно, в диапазоне изменения температуры (-20÷+60)°С можно обеспечить в одних случаях практически идеальную температурную компенсацию ухода частоты заявляемого кварцевого генератора, либо заметно повысить стабильность частоты (для различных углов среза AT кварцевых резонаторов).

Сравнение предлагаемого термостабильного кварцевого генератора с прототипом позволяет выявить следующие преимущества: малые габариты и возможность изготовления схемы термостабильного кварцевого генератора на одном полупроводниковом кристалле (например, кремнии); относительно небольшое потребление электроэнергии при большой мощности выходных импульсов на нагрузочном резисторе 8; импульсы на нагрузочном резисторе 8 имеют большую скважность и остроконечные пики, что удобно для использования их в дискретных устройствах и устройствах синхронизации.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в устройствах генерирования и преобразования частоты импульсных сигналов. Достигаемый технический результат - устранение таких недостатков, как сложность в настройке и низкий к.п.д. Кварцевый генератор содержит два биполярных транзистора разного типа проводимости, кварцевый резонатор, однопереходный транзистор, биполярный диод, нагрузочный резистор и делитель напряжения на двух резисторах. 4 ил.

Кварцевый генератор, содержащий два биполярных транзистора разного типа проводимости и кварцевый резонатор, отличающийся тем, что введены однопереходный транзистор, биполярный диод, нагрузочный резистор и делитель напряжения на двух резисторах, общая точка которых подключена к эмиттеру однопереходного транзистора, первая база которого соединена с первым выводом кварцевого резонатора и эмиттером первого биполярного транзистора, база которого соединена с катодом биполярного диода и коллектором второго биполярного транзистора, эмиттер которого через нагрузочный резистор соединен с выводом второго резистора делителя напряжения, вторым выводом кварцевого резонатора и общей шиной, а анод биполярного диода соединен со второй базой однопереходного транзистора, выводом первого резистора делителя напряжения и шиной питания, при этом между первым биполярным транзистором и вторым биполярным транзистором осуществляется внутренняя положительная обратная связь.