Кварцевый генератор Советский патент 1984 года по МПК H03B5/32 

Изобретение относится к электрон ньм и электронно-механическим прибо рам времени, в особенности к кварце BidM генераторам для приборов времен и может быть наиболее эффективно использовано в часовой промьшшеннос ти. Известен кварцевый генератор пре им ественно для часов, содержащий комплементарный инвертор, между вхо дом и выходом которого включен пассивный четырехполюсник, обеспечивающий комплексную обратную связь в кварцевом генераторе tO. Недостатками такого кварцевого генератора являются относительно большой ток потребления и большой уход частоты от номинального значения при изменении напряжения питани что вызвано относительно большим временем переключения инвертора. Наиболее близким к предложенному является кварцевый генератор, содер щий первьй комплементарный инвертор частотозаданщий кварцевый четырехполюсник, а также второй комплементарный инвертор, выход которого чер конденсатор подключен к входу перво го комплементарного инвертора, выхо которого является выходом кварцевог |Генератора . Однако известньй кварцевый генер тор обладает нестабильностью частот при изменении напряжения питания и имеет большой ток потребления. Цель изобретения - уменьшение нестабильности частоты при изменении напряжения питания и уменьшение потребляемого тока. Поставленная цель достигается тем, что в кварцевом генераторе, содержащем первьй комштементарньШ инвертор, частотозадающий кварцевьй четырехполюсник, а также второй комплементарньй инвертор, выход которого через конденсатор подключён к входу первого комплементарного инвертора, выход которого является выходом кварцевого генератора, частотозадающий кварцевьй четырехполюс ник включен между входом и выходом первого комплементарного инвертора, выход которого соединен с входом второго комплементарного инвертора. На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема кварцевого генератора; на фиг. 2 - варианты выполнения частотозадающего кварцевого четырехполюсника; на фиг. 3 эпюры выходного напряжения и тока, протекающего через комплементарный йнвентор, в зависимости от напряжения на входе. Кварцевьй генератор содержит первьй 1 и второй 2 комплементарные Инверторы, частотозадающий кварцевьй четырехполюсник 3 и конденсатор 4. Устройство работает следующим образом. В схеме кварцевого генератора с помощью частотозадающего кварцевого четырехполюсника 3 (фиг. 2) осуществляется комбинированное действие положительной и отрицательной обратных связей. Так, с одной стороны, посредством резистора частотозадающего кварцевого четь1рехполюсника 3 осуществляется отрицательная обратная связь, позволяющая в статическом режиме обеспечить работу первого комплементарного инвертора 1 (усилительного элемента кварцевого генератора) в активной области,т.е. рабочая точка А (.фиг. 3) в статическом режиме находится приблизительно в середине крутой ветви амплитудной характеристики (эпюра а, фиг. 3) первого комплементарного инвертора 1,где его усиление максимально. С другой стороны, посредством стальных элементов частотозадающего кварцевого четырехполюсника 3 осуществляется положительная обратная связь, в результате чего на вход первого комплементарного инвертора 1 поступает напряжение практически синусоидальной формы, достаточной амплитуды и правильной формы, обеспечивающее самовозбуждение кварцевого генератора (усилительного элемента). При этом происходит переключение первого Комплементарного инвертора 1 из состояния, когда его верхний транзистор открыт, а нижний закрыт, в состояние, соответствующее открытию нижнего и закрытию верхнего его транзисторов, и наоборот. Через первьй комплементарный инвертор 1 ток протекает только в течение переходного процесса,тогда оба его транзистора открыты, т.е. когда первьй комплементарный инвертор 1 работает в активной области. Величина тока, протекающего через первьй комплементарный инвертор 1, при прочих равных условиях зависит от амп3. литуды сигнала на его входе, причем с увеличением амплитуды ток уменьшается. У первого комплементарного инвертора 1 зависимость выходного напряжения и тока, протекающего через него, от напряжения на входеимеет вид показанный на фиг. 3 (соответственно эпюры «, б). При этом увеличение или уменьшение напряжения питания первого комплементарного инвертора 1 вызы вает соответственно увеличение или. уменьшение величины тока 1. В статическом режиме рабочему состоянию первого комплементарного инвертора 1 соответствует точка А характеристи йыГ Чх (эпюра «, фиг. 3). В. режиме генерирования колебаний под .воздействием переменной синусоидальной составляющей напряжение на входе первого комплементарного инвертора (эпюры в, t, фиг. 3) зависимость 1 f(U ) (эпюра-5, фиг. 3) трансформируется в зависимость I f(t) (эпюры Э, е, фиг. 3). При этом, как видно из эпюр в и -ъ , при одной и той же частоте колебаний с увеличением амплитуды колебаний (U ms. уменьшается площадь кривой I f(t) (площадь кривой эпюры с меньше пло. щади кривой эпюры 3 ) , поскольку уменьшается время, в течение которого оба транзистора первого комплементарного инвертора 1 открыты (отрезок Ц - tjj при отрезок t, при UJ. Дифференциальное внутреннее сопротивление первого комплементарного инвертора 1 при очень малом входном сигнале определяется выражением где Rg и R, - дифференциальное сопротивление соответ ственно верхнего и нижнего транзисторов первого комплементарно го инвертора 1 , 32 напряжение питания первого комплементарного инвертора 1 ток, протекающий через первый комплементарный инвертор 1; напряжение на выходе первого комплементарного инвертора 1. Дифференциальное сопротивление в режиме переключения первого комплементарного инвертора 1 изменяется от единиц КШ100М до единиц десятков миллиом. Частота кварцевого генератора зависит от интегрального сопротивления первого комплементарного инвертора 1, определяемого как площадь изменения дифференциального сопротивления во времени, т.е. при прочих условиях величина интегрального сопротивления зависит от скорости переключения первого комплементарного инвертора 1. При изменении напряжения питания первого комплементарного инвертора 1 меняется его интегральное сопротивление , что вызывает появление фазовых сдвигов в кварцевом генераторе, а соответственно и изменение частоты. С -помощью второго комплементарного инвертора 2 и конденсатора 4 осуществляется положительная обратная связь в области малых времен, что приводит . к увеличению крутизны синусоидального напряжения в районе нуля. В резуль- тате этого уменьшается время переключения первого комплементарного инвертора 1, что вызьгоает уменьшение тока потребления кварцевого генератора и уменьшение изменения его частоты при изменении напряжения питания. Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в уменьшении нестабильности частоты при изменении напрйжения питания и- уменьшении потребляемого тока.

6

Фиг.2

КВАРЦЕВЫЙГЕНЕРАТОР, содерзкащий первый комплементарный инвер-, тор, частотозадающий кварцевый четырехполюсник , а также второй комплементарный инвертор, выход которого через конденсатор подключен к входу первого комплементарного инвертора, выход которого является выходом кварцевого генератора, отличающий с я тем, что, с целью уменьшения нестабильности частоты при изменении напряжения питания и уменьшения потребляемого тока, частотозадающий кварцевьй четырехполюсник включен между входом и выходом первого комплементарного инвертора, выход которого соединен с вхо;цом второго комплементарного инвертора. (О t,