ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫЙ КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2013 года по МПК H03B5/32 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано, в частности, в преобразователях напряжение-частота, системах фазовой автоподстройки частоты, модуляторах и демодуляторах приемо-передающих радиосистем.

Известен частотно-модулированный кварцевый генератор, содержащий первый транзистор, включенный по схеме с общей базой, с резистором в цепи эмиттера и резонансной нагрузкой в цепи коллектора, к эмиттеру которого подключен первый электрод кварцевого резонатора, второй транзистор, включенный по схеме эмиттерного повторителя, к эмиттеру которого подключен второй электрод кварцевого резонатора, катушку индуктивности, парафазный источник управляющего напряжения, выходы которого подключены соответственно к базе первого транзистора и первому выводу катушки индуктивности, второй вывод которой подключен к эмиттеру первого транзистора, а между коллектором первого транзистора и базой второго транзистора включена резистивно-емкостная цепь [1].

Однако в известном частотно-модулированном кварцевом генераторе недостаточно высокая крутизна характеристики управления частотой и недостаточно широкий диапазон перестройки генерируемой частоты, связанные с низкой добротностью катушки индуктивности.

Наиболее близким к заявляемому, который выбран в качестве прототипа, можно назвать частотно-модулированный кварцевый генератор [2], содержащий первый и третий транзисторы, включенные по схеме с общей базой, эмиттер первого транзистора через резистор соединен с корпусом, резонансный контур, второй транзистор, включенный по схеме эмиттерного повторителя, катушку индуктивности, резистивно-емкостную цепь, кварцевый резонатор, источник парафазного напряжения. Причем коллекторы первого и третьего транзисторов объединены и между ними и источником питания включен резонансный контур, а катушка индуктивности включена между эмиттерами первого и третьего транзисторов, к базам которых подключен источник парафазного напряжения, при этом первый и второй электроды кварцевого резонатора соответственно подключены к эмиттерам первого и третьего транзистора, а резистивно-емкостная цепь включена между коллекторами первого и третьего транзисторов и базой второго транзистора.

Однако в известном прототипе - частотно-модулированном кварцевом генераторе недостаточно широкий диапазон перестройки генерируемой частоты, высокий уровень паразитной амплитудной модуляции и низкая крутизна фазово-амплитудной характеристики управления частотой кварцевого резонатора, вызванные низкой добротностью катушки индуктивности и непосредственным подключением парафазного источника сигналов к базам первого и третьего транзисторов.

Цель изобретения - увеличение диапазона перестройки частоты, уменьшение паразитной амплитудной модуляции и повышение крутизны фазово-амплитудной характеристики управления частотой кварцевого генератора.

Для достижения поставленной цели в известный кварцевый генератор введены четвертый и пятый транзисторы, второй и третий резонансные контуры, вторая резистивно-емкостная цепь, первый и второй варикапы, два четвертьволновых отрезка длинных линий, причем первый и второй резонансные контуры настроены на первую и вторую частоты кварцевого резонатора и включены соответственно, между коллекторами первого 1 и третьего 3 транзисторов и источником питания, а четвертый 4 и второй 2 транзисторы включены по схеме эмиттерного повторителя, соответственно между базами которых 4 и 2 и коллекторами первого 1 и третьего 3 транзисторов включены первая 12 и вторая 13 резистивно-емкостные цепи, а между коллектором пятого транзистора 5, включенного по схеме с общим эмиттером, и источником питания включен третий резонансный контур 14, настроенный на частоту разностных колебаний первой и второй частот кварцевого резонатора 15, а база и эмиттер пятого транзистора 5 через конденсаторы С4 и С3 соответственно соединены с эмиттерами второго 2 и четвертого 4 транзисторов, при этом эмиттеры первого и третьего транзисторов соединены соответственно через конденсаторы С1 и С2 с эмиттерами четвертого и второго транзисторов, а к эмиттеру второго транзистора через конденсатор включен анод первого варикапа 8, причем к эмиттеру четвертого транзистора через конденсатор включен катод второго 9 варикапа, а катод и анод первого 8 и второго 9 варикапов соответственно подключены к источникам смещения +Есм и -Есм, а выход парафазного источника управляющего напряжения Uупр через резисторы подключен соответственно к аноду и катоду первого 8 и второго 9 варикапов, одновременно входы первого и второго отрезков длинных линий 6, 7, кратных четверти длины волны для каждой из генерируемых частот кварцевого резонатора 15, соответственно подключены к эмиттерам второго 2 и четвертого 4 транзисторов, а выходы отрезков длинных линий 6, 7 непосредственно подключены к первому электроду кварцевого резонатора 15, второй электрод которого и оплетки обеих линий 6, 7 заземлены.

Введение в схему прототипа второго эмиттерного повторителя позволяет реализовать разделение петель обратной связи и использовать двухчастотный кварцевый резонатор, за счет чего расширена полоса перестройки частоты при модуляции управляющим сигналом. Стабилизация рабочих точек усилителей первого и третьего транзисторов обеспечивает минимальную паразитную гармоническую составляющую разностного спектра модулированных колебаний за счет «мягкого» нелинейного режима генерирования колебаний по каждой цепи обратной связи данной двухчастотной фильтровой схемы. Такой режим усиления и генерирования колебаний устанавливается с помощью включенных резонансных контуров в коллекторные цепи усилителей и введения резистивно-емкостных цепей между коллекторами усилителей и базами эмиттерных повторителей. Включение пятого транзистора, выполняющего роль смесителя, в коллектор которого включен резонансный колебательный контур, выделяющий разностную частоту частотно-модулированных колебаний, позволяет за счет частотной развязки исключить влияние нагрузки на генератор. Избирательные свойства цепей обратной связи по каждой из генерируемых частот реализуются путем раздельного подключения к эмиттерам второго и четвертого транзисторов четвертьволновых отрезков коаксиального кабеля, выполняющих роль четвертьволновых резонансных трансформаторов, реализующих точную настройку на последовательный резонанс каждой из частот кварцевого резонатора, подключенного к общей точке длинных линий. Этим достигается максимальная крутизна амплитудно-фазовых характеристик обеих частот кварцевого резонатора [3, 4] и устойчивость генерирования двух частот при их максимально возможной расстройке при управлении. Параллельно каждой высокодобротной цепи: кварцевый резонатор - длинная линия разнополярно между эмиттерами второго и четвертого транзисторов и источниками смещения включены варикапы, которые управляются от парафазного источника управляющего напряжения. Такое включение обеспечивает наиболее полную реализацию цепи управления по напряжению и перестройке генерируемых частот.

На Фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема устройства.

Частотно-модулированный кварцевый генератор содержит транзисторы 1-5, кварцевый резонатор 15, резонансные колебательные контуры 10, 11, 14, RC-цепи 12, 13, емкости обратной связи С1 и С2, емкости связи С3 и С4, источник парафазного управляющего напряжения U_упр, варикапы 8, 9, четвертьволновые отрезки длинных линий 6, 7.

Частотно-модулированный кварцевый генератор работает следующим образом.

При включении генератора в первой фильтровой схеме возникают колебания, определяемые замкнутым контуром, включающим в себя транзистор 1, колебательный контур 10, RC-цепь 12, эмиттерный повторитель 4 и фильтр, включенный между эмиттерами 1-го и 4-го транзисторов, настроенный на первую частоту последовательного резонанса кварцевого резонатора, содержащий варикап 9, емкость обратной связи С1, четвертьволновый отрезок длинной линии 7 с подключенным к ее выходу первым электродом кварцевого резонатора 15. Одновременно во второй фильтровой схеме возникают колебания, определяемые замкнутым контуром, включающим в себя транзистор 3, колебательный контур 11, RC-цепь 13, эмиттерный повторитель 2, и фильтр, включенный между эмиттерами 3-го и 2-го транзисторов, настроенный на вторую частоту последовательного резонанса кварцевого резонатора, содержащий емкость обратной связи С2, варикап 8, четвертьволновой отрезок длинной линии 6 с подключенным к ее выходу первым электродом кварцевого резонатора 15. Выполнение условий оптимального усиления в обеих фильтровых схемах обеспечивается резистивно-емкостными цепями 12, 13, а избирательность цепей обратной связи обеспечивается путем трансформации последовательного резонанса каждой из частот кварцевого резонатора 15 в параллельный резонанс с помощью длинных линий 6, 7, кратных четверти длины волны для каждой из частот. Точная настройка генераторов на частоты последовательного резонанса за счет трансформаторов в виде четвертьволновых длинных линий позволяет достигнуть максимумов диапазона линейности перестройки их частот и крутизны амплитудно-фазовой характеристики управления с помощью варикапов 8, 9, а выбор рабочей точки варикапов с помощью источников смещения обеспечивает максимум диапазона перестройки обеих частот кварцевого резонатора. Переключение парафазного источника управляющего напряжения U_упр с базовых цепей транзисторов 1, 3 прототипа к цепям управления варикапами 8, 9 позволяет стабилизировать рабочую точку усилителей и тем самым понизить продукт паразитной амплитудной модуляции разностной частоты F_{p вых}. Разностная частота обеспечивается транзистором 5, включенным в режиме смесителя, на базу и эмиттер которого соответственно через конденсаторы связи С3 и С4 с эмиттеров транзисторов 2 и 4 поступают колебания обеих генерируемых частот, а разностная частота F_{p вых} выделяется контуром 14, включенным между коллектором и источником питания.

Повышенные диапазон перестройки генерируемых колебаний, линейность и крутизна характеристики управления предлагаемого кварцевого генератора позволяют использовать прецизионные кварцевые резонаторы с высокой добротностью и малой динамической емкостью по основной и ангармонической модам колебаний. Например, основных частот мод f₁₁₅ и f₁₅₁ для прецизионного 5 МГц кварцевого резонатора по пятой механической гармонике.

Следует отметить, что использование нелинейного усилителя в виде, например, [4-6] и др. для частотной модуляции кварцевого резонатора не позволяет принципиально достигнуть минимальной паразитной амплитудной модуляции, т.к. здесь получение многочастотного режима генерации связано с необходимостью создания режима «жесткой» нелинейности работы транзисторных усилителей.

Предлагаемый генератор был исследован с использованием двухчастотного кварцевого резонатора с частотами 5 МГц и 5,119 МГц соответственно. Добротность обеих мод колебаний была в пределах одного миллиона, а активность мод отличалась не более чем на 5%. Четвертьволновые отрезки длинных линий, выполняющие роль трансформаторов сопротивлений, за счет их высокой добротности позволили обеспечить устойчивый режим генерирования двухчастотного колебания и управления им с высокой крутизной. Для сравнения:

1. При включении расширительной катушки индуктивности (в прототипе) достижимая перестройка частоты была 50 Гц. Дальнейшее увеличение индуктивности (более 50 мкГн) в схеме с переключением транзисторов приводило к неустойчивой генерации одночастотных колебаний кварцевого генератора с кварцевым резонатором с добротностью около одного миллиона.

2. В предложенном варианте с применением четвертьволновых отрезков длинных линий и варикапов с высокими крутизной и добротностью перестройка частоты каждой из мод обеспечивалась ±70 Гц, что в сравнении с прототипом более чем вдвое, а на разностной частоте перестройка составляла около 250 Гц.

Литература

1. Патент США №3302138, кл. 334-15, 1967.

2. АС СССР №930573, кл. Н03В 5/32, 23.05.1982 (прототип).

3. Барбара Гневиньска и др. О возможности взаимодействия кварцевого резонатора с измерительной схемой либо со схемой возбуждения при их соединении с помощью отрезка длинной линии. Перевод с польского №78/32028, Москва, ВЦП НТЛ и документации. - 1978. 6 с.

4. АС СССР №1107253, кл. Н03В 5/32; Н03С 5/22, 07.08.1984.

5. АС СССР №964963, кл. Н03В 5/32, 1982.

6. АС СССР №855933, кл. Н03В 5/32; Н03С 5/22, 1981.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в системах фазовой автоподстройки частоты, модуляторах и демодуляторах приемо-передающих радиосистем. Достигаемый технический результат - увеличение диапазона перестройки частоты, уменьшение паразитной амплитудной модуляции и повышение крутизны фазоамплитудной характеристики управления частотой кварцевого генератора. Частотно-модулированный кварцевый генератор содержит пять транзисторов, три резонансных контура, две резистивно-емкостные цепи, два варикапа, кварцевый резонатор, парафазный источник управляющего напряжения, два отрезка длинных линий, источник смещения. 1 ил.

Частотно-модулированный кварцевый генератор, содержащий первый второй и третий транзисторы, первый резонансный контур, первую резистивно-емкостную цепь, кварцевый резонатор, источник парафазного напряжения, отличающийся тем, что в него введены четвертый и пятый транзисторы, второй и третий резонансные контуры, вторая резистивно-емкостная цепь, первый и второй варикапы, два четвертьволновых отрезка длинных линий, причем первый и второй резонансные контуры настроены на первую и вторую частоты кварцевого резонатора и включены соответственно между коллекторами первого и третьего транзисторов и источником питания, а четвертый и второй транзисторы включены по схеме эмиттерного повторителя, соответственно между базами которых и коллекторами первого и третьего транзисторов включены первая и вторая резистивно-емкостные цепи, а между коллектором пятого транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, и источником питания включен третий резонансный контур, настроенный на частоту разностных колебаний первой и второй частот кварцевого резонатора, а база и эмиттер пятого транзистора через конденсаторы соответственно соединены с эмиттерами второго и четвертого транзисторов, при этом эмиттеры первого и третьего транзисторов соединены соответственно через конденсаторы с эмиттерами четвертого и второго транзисторов, а к эмиттеру второго транзистора через конденсатор включен анод первого варикапа, причем к эмиттеру четвертого транзистора через конденсатор включен катод второго варикапа, а катод и анод первого и второго варикапов соответственно подключены к источникам смещения, а выход парафазного источника управляющего напряжения через резисторы подключен соответственно к аноду и катоду первого и второго варикапов, одновременно входы первого и второго отрезков длинных линий, кратных четверти длины волны для каждой из генерируемых частот кварцевого резонатора, соответственно подключены к эмиттерам второго и четвертого транзисторов, а выходы отрезков длинных линий непосредственно подключены к первому электроду кварцевого резонатора, второй электрод которого и оплетки обеих линий заземлены.