ГЕНЕРАТОР Российский патент 2013 года по МПК H03B5/36 

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

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является кварцевый генератор (см. патент РФ 2429557 от 29.07.2010, опубликован 20.09.2011, бюл. №26), содержащий блок автоматической регулировки усиления, первый выход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора и со входом блока компенсации статической емкости кварцевого резонатора, выход которого соединен со вторым выводом кварцевого резонатора и со входом усилителя, при этом выход усилителя соединен со входом блока автоматической регулировки усиления и является выходом устройства.

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

Недостатком прототипа является сложность в обеспечении требуемой амплитуды напряжения возбуждения кварцевого резонатора с допустимыми нелинейными искажениями оконечных каскадов усилителя в установившемся режиме работы генератора и, при этом, необходимость обеспечения запаса коэффициента усиления усилителя для малых значений времени переходного процесса (времени готовности) после подачи напряжения питания на генератор, что, в конечном счете отражается на стабильности частоты выходных сигналов при воздействии внешних факторов эксплуатации (изменение напряжения питания, температуры окружающей среды, хранение, действие ионизирующих излучений и проч.).

Решаемой задачей является создание генератора с кварцевым резонатором с повышенной стабильностью частоты генерации (при значении эквивалентного сопротивления резонатора до 1 МОм).

Достигаемым техническим результатом является стабилизация амплитуды и формы выходных сигналов в изменяющихся условиях эксплуатации и соответственно повышение стабильности частоты генерации.

Для достижения технического результата в генераторе, содержащем блок автоматической регулировки усиления, первый выход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора и со входом блока компенсации статической емкости кварцевого резонатора, выход которого соединен со вторым выводом кварцевого резонатора и со входом усилителя, при этом выход усилителя соединен со входом блока автоматической регулировки усиления и является выходом устройства, новым является то, что, усилитель выполнен в виде последовательно соединенных каскадов, при этом, по крайней мере, один или несколько последних каскадов выполнены с регулируемым коэффициентом передачи, каждый из которых содержит первый, второй, третий резисторы, коммутирующий элемент и инвертирующий усилитель, вход которого соединен через первый резистор с выходом предыдущего каскада или с выходом предыдущего каскада с регулируемым коэффициентом передачи, выход инвертирующего усилителя в каждом каскаде с регулируемым коэффициентом передачи соединен со своим входом через второй резистор и последовательно соединенные коммутирующий элемент и третий резистор, вход управления коммутирующего элемента соединен со вторым выходом блока автоматической регулировки усиления.

Стабилизация амплитуды и формы возбуждения колебаний кварцевого резонатора в предлагаемом генераторе достигается за счет введения второго контура дискретного регулирования коэффициента передачи сигнала в тракте "резонатор - усилитель - блок автоматической регулировки усиления".

При помощи первого контура регулировка амплитуды сигнала подаваемого на вход кварцевого резонатора осуществляется при помощи блока автоматической плавной регулировки усиления (более подробно процесс работы блока автоматической регулировки усиления описан в патенте РФ №2429557 от 29.07.2010, опубликован 20.09.2011, бюл. №26).

Второй контур регулирования реализуется при помощи усилительных каскадов с регулируемым коэффициентом передачи, что обеспечивает уменьшение суммарного коэффициента передачи усилителя и увеличение амплитуды напряжения возбуждения кварцевого резонатора с малыми нелинейными искажениями.

На фигуре 1 изображена функциональная схема заявляемого генератора. На фигуре 2 представлен один из возможных вариантов реализации заявляемого генератора. На фигуре 3 представлена эквивалентная схема кварцевого резонатора.

Генератор содержит блок автоматической регулировки усиления 1, первый выход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора 2 и со входом блока компенсации статической емкости 3 кварцевого резонатора 2, выход которого соединен со вторым выводом кварцевого резонатора 2 и со входом усилителя 4, при этом выход усилителя 4 соединен со входом блока автоматической регулировки усиления 1 и является выходом устройства, отличающийся тем, что, усилитель 4 выполнен в виде последовательно соединенных каскадов 5, 6, при этом в варианте двухкаскадного усилителя, последний каскад 6 выполнен с регулируемым коэффициентом передачи, который содержит первый 7, второй 8, третий 9 резисторы, коммутирующий элемент 10 и инвертирующий усилитель 11, вход которого соединен через первый резистор 7 с выходом предыдущего каскада 5, выход инвертирующего усилителя в каждом каскаде с регулируемым коэффициентом передачи соединен со своим входом через второй резистор 8 и последовательно соединенные коммутирующий элемент 10 и третий резистор 9, вход управления коммутирующего элемента 10 соединен со вторым выходом блока автоматической регулировки усиления 1.

Для поддержания устойчивой генерации в контуре обратной связи необходимо выполнение условий:

- суммарный коэффициент передачи по напряжению участка схемы "A - усилитель 4 - выход 12 блока автоматической регулировки усиления 1" должен быть больше 1 в режиме установления колебаний и равен 1 в стационарном режиме;

- суммарный фазовый сдвиг участка схемы "A - усилитель 4 - выход 12 блока автоматической регулировки усиления 1" на частоте генерации должен быть равен: Σφi=n·2·π. (n - натуральное число, включая 0).

Ток, протекающий через кварцевый резонатор 2 I_K определяется суммой двух составляющих:

$$I_K=I_{Z_Q}+I_{C_0}=\frac{U_A}{Z_K}+j\omega C_0{U}_A;\left(1\right)$$

$$Z_K=R_K+j\omega L_K+\frac{1}{j\omega C_K},\left(2\right)$$

где U_A - переменное напряжение, приложенное к кварцевому резонатору 2 (точка схемы "A");

Z_K - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 2 (ZQ);

R_K, L_K, C_K - эквивалентные параметры кварцевого резонатора 2 (см. фиг.3).

Составляющая тока кварцевого резонатора 2, обусловленная его статической емкостью C₀, уменьшает реальную добротность и крутизну фазочастотной характеристики резонатора и, соответственно, ухудшает стабильность частоты генератора. Наиболее сильное негативное влияние емкостного тока кварцевого резонатора 2 на стабильность частоты генератора проявляется в случаях, когда составляющие емкостного тока ωC₀U_A и резонансного тока $$\frac{U_A}{R_K}$$ имеют соизмеримые значения.

Для нейтрализации емкостного тока статической емкости C₀ в заявляемом генераторе применяется блок компенсации статической емкости 3, на выходе которого формируется сигнал равный составляющей емкостного тока через статическую емкость C₀ кварцевого резонатора 2 и противоположный по фазе.

Схемы компенсации статической емкости C₀ кварцевого резонатора 2 могут быть построены по разным схемам, например, в прототипе (патент РФ №2429557 от 29.07.2010, опубликован 20.09.2011 Бюл. №26) применяется резистивно-емкостная мостовая схема.

На резонансной частоте резонатора, при условии нейтрализации емкостного тока через емкость C₀ резонатора 2 при помощи блока компенсации статической емкости 3, напряжение на входе усилителя 4 определяется выражением:

$$U_{yc\_вх}=U_A\cdot \frac{Z_{вх}}{Z_{вх}+Z_K},\left(3\right)$$

где Z_K - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 2;

Z_вх - входной импеданс усилителя 4;

При активном характере входного импеданса Z_вх=R_вх напряжение на выходе усилителя 4 определяется выражением:

$$U_{вых\_yc}=U_A\cdot \frac{R_{вх}}{R_{вх}+Z_K}\cdot K_{yc},\left(4\right)$$

где K_ус - коэффициент усиления усилителя 4.

Коэффициент передачи участка "A - усилитель 4 - выход 12 блока автоматической регулировки усиления 1" определяется выражением:

$$K=\frac{U_{вых\_АРУ}}{U_A}=\frac{R_{вх}}{R_{вх}+Z_K}\cdot K_{ус}\cdot K_{АРУ},\left(5\right)$$

где K_ус - коэффициент усиления усилителя 4;

K_АРУ - коэффициент передачи блока автоматической регулировки усиления 1 по выходу 12.

Коэффициент передачи усилителя определяется выражением

$$K_{ус}=\left({К}_{П1}\cdot {К}_{П2}\cdot \dots \cdot {К}_{Пn}\right)\cdot \left({К}_{P1}\cdot {К}_{P2}\cdot \dots \cdot {К}_{Pm}\right),\left(6\right)$$

где K_П1·K_П2·…·K_Пn - каскады усилителя 4, выполненные с постоянным коэффициентом усиления;

K_P1·K_P2·…·K_Pm - каскады усилителя 4, выполненные с регулируемым коэффициентом передачи.

Коэффициент передачи участка "А-Б" будет иметь максимальное и действительное значение на частоте, равной резонансной частоте кварцевого резонатора 3, для которой Z_K=R_K.

На фиг.1 приведена схема, где в усилителе 4 используется один усилительный каскад 5 с постоянным коэффициентом усиления и один усилительный каскад 6 с регулируемым коэффициентом передачи.

Коэффициент передачи усилительного каскада 6 с регулируемым коэффициентом передачи определяется уровнем сигнала, поступающего со второго выхода 13 (управляющего выхода) блока автоматической регулировки усиления 1 на управляющий вход коммутирующего элемента 10.

При этом сигнал управления на входе коммутирующего элемента 10 может иметь два дискретных уровня:

- "низкий" (уровень. "нуля"), обеспечивающий разрыв коммутируемой цепи (режим 1);

- "высокий" (уровень "1"), обеспечивающий проводящее состояние коммутирующего элемента 10 (режим 2).

В соответствии с двумя состояниями коммутирующего элемента 10 коэффициент передачи каскада 6 будет иметь два значения, определяемые значениями сопротивлений резисторов 7, 8, 9, согласно выражениям:

$$Режим"1"-K_0=\frac{R_8}{R_7};\left(7\right)$$

$$Режим"2"-K_1=\frac{R_8\cdot R_9}{\left(R_8+R_9\right)\cdot R_7}=\frac{R_8}{R_7}\cdot \frac{1}{1+\frac{R_8}{\text{}{R}_9}},\left(8\right)$$

где K₀, K₁ - значения коэффициентов передачи каскада 6 для "нулевого" и "единичного" уровня управляющего напряжения на входе коммутирующего элемента 10;

R₇, R₈, R₉ - значения сопротивлений резисторов 7, 8, 9.

В случае, когда R₈>>R₉

$$K_1\approx \frac{R_9}{R_7}.\left(9\right)$$

В макетных образцах генератора, собранных согласно предлагаемому изобретению коэффициент передачи усилительного каскада 6 с регулируемым коэффициентом усиления в режиме "2" выбирался равным K₁=1÷2.

Выражение для коэффициентов передачи усилительного каскада 6 с регулируемым коэффициентом усиления справедливо при условии, что коэффициент усиления у инвертирующего усилителя 11 много больше единицы.

На фигуре 2 приведен один из возможных вариантов блока автоматической регулировки в составе заявляемого генератора.

Работа генератора происходит следующим образом. В исходном состоянии, при отсутствии напряжения на шинах питания генератора между выводами всех его элементов, в том числе и у кварцевого резонатора 2 будет нулевая разность электрических потенциалов, т.е. в кварцевом резонаторе 2 отсутствуют механические колебания. В этом случае сопротивление коммутирующего элемента 10 R_КЭ имеет максимальное значение, много больше сопротивления третьего резистора 9 (R_КЭ>>R₉), что обеспечивает максимальное значение коэффициента передачи усилительного каскада 6 с регулируемым коэффициентом усиления и всего тракта петли положительной обратной связи.

Переменная составляющая напряжения в первые моменты после подключения генератора к источнику питания в различных его точках имеет шумовой характер с широким спектром частот с максимальный значением амплитуды на выходе усилителя 4 и передается практически без ослабления на первый выход 12 блока автоматической регулировки усиления 1 на вход кварцевого резонатора 2 с блоком компенсации статической емкости 3.

Постоянная составляющая выходного напряжения усилителя 4 (точка "В") через резистор 14, приложена к катоду диода пикового детектора 15 (входная цепь блока автоматической регулировки усиления 1). Напряжение анода диода 15 определяется выходным напряжением инвертирующего каскада усилителя 16 (идентичному усилительному каскаду 11), охваченного обратной связью "выход"-"вход" через параллельно соединенные резистор 17 и конденсатор 18.

В отсутствие генерации в начальный момент после подачи напряжения питания имеет место равенство потенциалов анода и катода диода 15 пикового детектора блока АРУ, конденсатор фильтра 22 разряжен, обеспечивая высокоомное состояние регулирующих n-канальных транзисторов 23, 24 (потенциал затворов ниже потенциала истоков из-за разряженности конденсатора 22). Напряжение на выходе инвертора 29 и входе коммутирующего элемента 10 близкое к нулевому уровню. Усилительный каскад 6 с регулируемым коэффициентом усиления работает в режиме "1" и также обеспечивают максимальный коэффициент передачи участка "Б-В". Таким образом, в начальный момент времени после подачи напряжения питания блок АРУ 1 отключен и в тракте петли положительной обратной связи установлен максимальный коэффициент передачи (фактор регенерации G).

Кварцевый резонатор 2 с блоком компенсации статической емкости 3 обеспечивает ослабление сигналов в широком диапазоне частот за исключением узкой полосы в области частоты резонанса; на вход усилителя 4 попадают сигналы, выделенные из шумового спектра в узкой полосе частот близких к частоте резонанса кварцевого резонатора 2.

При значении фактора регенерации G больше 1 в контуре положительной обратной связи и в том числе на выходе усилителя 4 возникают нарастающие по амплитуде колебания на частоте, близкой к резонансной частоте кварцевого резонатора 2. Скорость нарастания амплитуды выходных сигналов усилителя 4 в переходном процессе определяется постоянной времени кварцевого резонатора 2 и значением фактора регенерации G (с увеличением значения G сокращается время переходного режима). По достижению амплитуды колебаний на катоде диода пикового детектора 15 в блоке автоматической регулировки усиления 1 некоторого порогового значения (порог срабатывания АРУ), равного значению прямого напряжения диода U_{∂_пр}, начинает заряжаться конденсатор 18 пикового детектора и, соответственно, увеличивается напряжение на выходе инвертора 16 и на конденсаторе фильтра 22" (с постоянной времени, определяемой значением резисторов 19, 21 и емкости конденсатора 22) и затворах регулирующих n-канальных КМОП транзисторов 23, 24.

Значение порога срабатывания блока автоматической регулировки усиления 1, определяется выражением:

где U_{∂_пр} - прямое напряжение диода 15;

R₁₄ - сопротивление резистора 14 в составе блока АРУ 1;

R₂₀ - сопротивление резистора 20 в составе блока АРУ 1.

В переходном режиме амплитуда выходного сигнала усилителя 4 нарастает от уровня шумов до амплитуды, равной значению согласно выражению (10), при этом сопротивление регулирующих транзисторов 23, 24 значительно больше сопротивления резистора 27, образующего совместное с транзисторами 23, 24 и резистором 26 делитель напряжения (первый контур АРУ).

Коэффициент передачи первого контура блока автоматической регулировки усиления 1 определяется выражением:

$$K_1=\frac{R_{26}+R_{упр}}{R_{26}+R_{27}+R_{упр}},\left(11\right)$$

где R₂₆, R₂₇, R_упр - значения сопротивлений резисторов 26, 27 и последовательно соединенных управляющих КМОП-транзисторов 23, 24 соответственно.

При R_упр→∞ (переходной режим) коэффициент передачи первого контура АРУ максимален и близок к значению ≈1.

При R_упр→0 коэффициент передачи блока автоматической регулировки усиления 1 минимален и равен значению отношения

$$K_I=\frac{R_{26}}{R_{26}+R_{27}}.\left(12\right)$$

Таким образом, выбором коэффициента передачи (12) происходит установка необходимой амплитуды возбуждения, подаваемой на вход кварцевого резонатора 2, в установившемся режиме работы генератора.

Резистор 21 в цепи конденсатора фильтра 22 подавляет колебания в системе АРУ.

Далее через время, определяемое постоянной времени τ=R₃₀C₃₁, формируется управляющий сигнал на втором выходе блока автоматической регулировки усиления 1 на срабатывание коммутирующего элемента 10 каскада 6 с регулируемым коэффициентом передачи (второй контур АРУ). При этом, усилительный каскад 6 с регулируемым коэффициентом усиления переключается во второй режим работы с ограничением коэффициента усиления. Коэффициенты усиления каскадов, задаваемые значениями сопротивлений резисторов 7, 9, выбираются таким образом, чтобы в данном режиме работы обеспечить линейный режим работы усилителя 4 без искажений и на вход кварцевого резонатора 2 и блока компенсации статической емкости 3 (точка "А") приходит сигнал синусоидальной формы.

Согласно предлагаемому изобретению изготовлены макетные образцы генераторов, испытания которых подтвердили их работоспособность и эффективность.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для генерации электрических сигналов, в частности в пьезорезонансных датчиках. Достигаемый технический результат - стабилизация амплитуды и формы выходных сигналов в изменяющихся условиях эксплуатации и повышение стабильности частоты генерации. Генератор содержит блок автоматической регулировки усиления, первый выход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора и со входом блока компенсации статической емкости кварцевого резонатора, выход которого соединен со вторым выводом кварцевого резонатора и со входом усилителя, усилитель выполнен в виде последовательно соединенных каскадов, при этом, по крайней мере, один или несколько последних каскадов выполнены с регулируемым коэффициентом передачи, каждый из которых содержит первый, второй, третий резисторы, коммутирующий элемент и инвертирующий усилитель, вход которого соединен через первый резистор с выходом предыдущего каскада или с выходом предыдущего каскада с регулируемым коэффициентом передачи, выход инвертирующего усилителя в каждом каскаде с регулируемым коэффициентом передачи соединен со своим входом через второй резистор и последовательно соединенные коммутирующий элемент и третий резистор, вход управления коммутирующего элемента соединен со вторым выходом блока автоматической регулировки усиления. 3 ил.

Генератор, содержащий блок автоматической регулировки усиления, первый выход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора и со входом блока компенсации статической емкости кварцевого резонатора, выход которого соединен со вторым выводом кварцевого резонатора и со входом усилителя, при этом выход усилителя соединен со входом блока автоматической регулировки усиления и является выходом устройства, отличающийся тем, что усилитель выполнен в виде последовательно соединенных каскадов, при этом, по крайней мере, один или несколько последних каскадов выполнены с регулируемым коэффициентом передачи, каждый из которых содержит первый, второй, третий резисторы, коммутирующий элемент и инвертирующий усилитель, вход которого соединен через первый резистор с выходом предыдущего каскада или с выходом предыдущего каскада с регулируемым коэффициентом передачи, выход инвертирующего усилителя в каждом каскаде с регулируемым коэффициентом передачи соединен со своим входом через второй резистор и последовательно соединенные коммутирующий элемент и третий резистор, вход управления коммутирующего элемента соединен со вторым выходом блока автоматической регулировки усиления.