КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2012 года по МПК H03B5/32 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для генерации электрических сигналов, стабилизированных электромеханическими резонаторами, в частности в пьезорезонансных датчиках с рабочим диапазоном частот от 10 кГц до 200 кГц.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является кварцевый генератор (см. патент РФ №2301491 от 30.11.2005, опубликован 20.06.2007 Б.И. №17), содержащий кварцевый резонатор, первый инвертирующий усилитель, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор, второй инвертирующий усилитель, вход которого соединен с первым выводом конденсатора.

Указанное выше устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является сложность настройки для достижения точной компенсации тока статической емкости кварцевого резонатора, приводящей к увеличению времени переходного процесса установления стабильного режима генерации, что в некоторых случаях недопустимо.

Решаемой задачей является создание кварцевого генератора с малым временем готовности для выхода на стабильный режим работы.

Достигаемым техническим результатом является повышение точности компенсации тока статической емкости кварцевого резонатора и уменьшение передаваемого сигнала через кварцевый резонатор в широкой полосе частот.

Для достижения технического результата в кварцевом генераторе, содержащем кварцевый резонатор, первый инвертирующий усилитель, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор, второй инвертирующий усилитель, вход которого соединен с первым выводом конденсатора, новым является то, что дополнительно введен резистивный делитель и второй резистор, первый вывод которого соединен со входом первого инвертирующего усилителя, а второй вывод соединен с первым выводом (входом) резистивного делителя и выходом второго инвертирующего усилителя, вход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора, второй вывод которого соединен с выходом первого инвертирующего усилителя, второй вывод конденсатора соединен со вторым выводом (выходом) резистивного делителя, третий вывод которого соединен с общей точкой, при этом выход второго инвертирующего усилителя является выходом устройства.

На фигуре 1 изображена функциональная схема кварцевого генератора. На фигуре 2 представлена эквивалентная схема кварцевого резонатора.

Устройство содержит кварцевый резонатор 1, первый инвертирующий усилитель 2, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор 3, второй инвертирующий усилитель 4, вход которого соединен с первым выводом конденсатора 5, резистивный делитель 6 и второй резистор 7, первый вывод которого соединен со входом первого инвертирующего усилителя 2, а второй вывод соединен с первым выводом (входом) резистивного делителя 6 и выходом второго инвертирующего усилителя 6, вход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора 1, второй вывод которого соединен с выходом первого инвертирующего усилителя 2, второй вывод конденсатора 5 соединен со вторым выводом (выходом) резистивного делителя 6, третий вывод которого соединен с общей точкой, при этом выход второго инвертирующего усилителя 4 является выходом устройства.

Повышение точности компенсации тока статической емкости кварцевого резонатора 1 осуществляется за счет применения резистивного делителя 6. Более точная компенсация достигается выбором коэффициента передачи резистивного делителя 6 и емкости конденсатора 5.

Устройство работает следующим образом. Участок схемы "А-Г", состоящей из резистивного делителя 6, конденсатора 5, используется для нейтрализации статической емкости С₀ резонатора 1.

Напряжение на выходе первого инвертирующего усилителя 1, обусловленное протеканием тока через второй резистор 7 (R₂), равно произведению значения сопротивления первого резистора 3 (R₁) обратной связи на значение входного тока, равного U_A/R₂ (свойство инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления К>>1 с отрицательной обратной связью):

где R₁ - значение сопротивления первого резистора 3;

R₂ - значение сопротивления второго резистора 7;

U_A - переменное напряжение (точка схемы А).

В случае, когда импеданс кварцевого резонатора 1 Z_Q и компенсирующего конденсатора 5, равного много больше входного сопротивления второго инвертирующего усилителя 4 (Z_Q>>Z_вx2; Z_C1>>Z_вx2), ток, протекающий через кварцевый резонатор 1 I_K, определяется суммой двух составляющих

где Z_вx - значение входного импеданса второго инвертирующего усилителя 4;

U_Б - переменное напряжение, приложенное к кварцевому резонатору 1 (точка схемы Б);

Z_K - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 1;

R_K, L_K, C_K - эквивалентные параметры кварцевого резонатора 1 (см. фиг.2).

Составляющая тока кварцевого резонатора 1, обусловленная его статической емкостью С₀, уменьшает реальную добротность и крутизну фазочастотной характеристики резонатора и, соответственно, ухудшает стабильность частоты генератора. Наиболее сильное негативное влияние емкостного тока кварцевого резонатора 1 на стабильность частоты генератора проявляется в случаях, когда составляющие емкостного тока ωС₀U_Б и резонансного тока имеют соизмеримые значения.

Ток, протекающий через конденсатор 5, определяется выражением

где С₁ - значение емкости конденсатора 5 (см. фиг.1);

К_дел - коэффициент передачи участка схемы "А-В" (коэффициент передачи резистивного делителя 6);

U_B - переменное напряжение на выходе резистивного делителя 6 (точка схемы В);

U_A - переменное входное напряжение (точка схемы А).

Коэффициент передачи резистивного делителя 6 определяется выбором значений сопротивлений, входящих в его состав.

Условие компенсации шунтирующего влияния статической емкости можно определить из суммы токов, протекающих через статическую емкость С₀ резонатора и конденсатор 4:

Из уравнения (6) следует , отсюда

или

На резонансной частоте резонатора 1 при условии (5), (6), (7) емкостной ток через емкость С₀ резонатора нейтрализуется противофазным током (4) через конденсатор 5 C₁ и напряжение на входе второго инвертирующего усилителя 4 определяется выражением

где Z_K - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 1;

Z_вx2 - входной импеданс второго инвертирующего усилителя 4.

При активном характере входного импеданса Z_вx=R_вx напряжение на выходе второго инвертирующего усилителя 4 определяется выражением

где К_{у_инв2} - коэффициент усиления второго инвертирующего усилителя 4.

Коэффициент передачи участка "А - выход второго инвертирующего усилителя 4" определяется из выражения (9):

Коэффициент передачи К_n будет иметь максимальное и действительное значение на частоте, равной резонансной частоте кварцевого резонатора 1, для которой Z_K=R_K.

Для обеспечения устойчивой работы генератора необходимо выполнение двух условий:

- условие баланса амплитуд, при котором коэффициент передачи неискаженного сигнала в контуре положительной обратной связи К_n генератора должен быть больше 1;

- условие баланса фаз, при котором

где К_n - суммарный коэффициент передачи на частоте генерации;

φ_n - фазовый сдвиг на участке "А - выход второго инвертирующего усилителя 4" на частоте генерации.

Согласно предлагаемому изобретению изготовлены макетные образцы генераторов, испытания которых подтвердили их работоспособность и эффективность. При этом первый инвертирующий усилитель 2 и второй инвертирующий усилитель 4 выполнены на комплементарных парах КМОП-транзисторов. Второй инвертирующий усилитель 4 может содержать схему амплитудного диодного ограничителя или схему автоматической регулировки усиления (АРУ), которая применяется для ограничения амплитуды переменного напряжения, подаваемого на кварцевый резонатор 1.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для генерации электрических сигналов, стабилизированных электромеханическими резонаторами, в частности в пьезорезонансных датчиках. Достигаемый технический результат - повышение точности компенсации тока статической емкости кварцевого резонатора и уменьшение передаваемого сигнала через кварцевый резонатор в широкой полосе частот. Кварцевый генератор содержит кварцевый резонатор, первый инвертирующий усилитель, два резистора, второй инвертирующий усилитель, конденсатор, резистивный делитель. 2 ил.

Кварцевый генератор, содержащий кварцевый резонатор, первый инвертирующий усилитель, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор, второй инвертирующий усилитель, вход которого соединен с первым выводом конденсатора, отличающийся тем, что дополнительно введен резистивный делитель и второй резистор, первый вывод которого соединен со входом первого инвертирующего усилителя, а второй вывод соединен с первым выводом (входом) резистивного делителя и выходом второго инвертирующего усилителя, вход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора, второй вывод которого соединен с выходом первого инвертирующего усилителя, второй вывод конденсатора соединен со вторым выводом (выходом) резистивного делителя, третий вывод которого соединен с общей точкой, при этом выход второго инвертирующего усилителя является выходом устройства.