Кварцевый генератор Советский патент 1992 года по МПК H03B5/36 

(21)4885262/09 (22)26.11.90 (46)15.12.92. Бюл. №46 (76) В.Г.Прокопенко

(56)Авторское свидетельство СССР М 1706002, кл. Н 03 В 5/36, 07.07.89. (54) КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР

(57)Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в качестве высокостабильного источника опорной частоты. Целью изобретения является повышение стабильности частоты при расширении диапазона изменения нагрузок. Кварцевый генератор содержит первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы 1, 2, 3, 4, 5, 6, кварцевый резонатор (КР) 7, резистор 8, первый и второй отражатели тока 9, 10, первый и второй источники тока 11. 12. В кварцевом генераторе выходной сигнал пропорционален току КР, вольт-амперная характеристика активной части независимо от нестабильности параметров всех транзисторов, а первый и второй отражатели тока обеспечивают повышение стабильности частоты за Счёт независимости ее от изменения нагрузок. 2 ил.

КВарцейъш о +

(Л

С

vj

00

ю

Сл)

со со

Фиг.1

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования в качестве высокостабильного источника опорной частоты в составе экономичной малогабаритной радиоэлектронной аппаратуры.

Известен кварцевый генератор, содержащий усилитель на первом транзисторе, охваченном отрицательной обратной связью через первый транзистор обратной связи, имеющий активную нагрузку, состоящую из второго транзистора, охваченного отрицательной обратной связью через второй транзистор обратной связи, и охваченный положительной обратной связью через кварцевый резонатор.

Недостаток данного генератора - пониженная стабильность частоты, а также высо- кий уровень нелинейных искажений выходного сигнала.

Известен также кварцевый генератор, содержащий первый и второй транзисторы, охваченные положительной обратной связью с помощью третьего и четвертого транзисторов обратной связи, при этом кварцевый резонатор одним выводом подключен к общей шине, а другим™- через конденсатор - к эмиттеру первого транзистора.

Недостатком этого кварцевого генератора является повышенная температурная и режимная нестабильность частоты вследствие пропорциональности напряжения питания активной части генератора и токов смещения транзисторов напряжению пря- мосмещенного p-n-перехода.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является кварцевый генератор, содержащий первый транзистор, коллектор которого соединен с первой шиной питания, второй транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером первого транзистора, резистор, первый вывод которого соединен с коллектором второго транзистора, третий транзистор и кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен с первой шиной питания, при этом первый и второй транзисторы выполнены с одинаковым типом проводимости, третий транзистор выполнен с типом проводимости, противоположным типу проводимости первого транзистора.

Недостатки этого кварцевого генератора - пониженная стабильность частоты и малая нагрузочная способность. Нестабильность частоты обусловлена тем, что в данном генераторе стабилизировано лишь малосигнальное значение эквивалентного отрицательного сопротивления активнЬй части генератора, в области же ограничения сигнала вольт-амперная характеристика активной части определяется нескомпенсированными параметрами транзисторов и нестабильна, что приводит к нестабильности мощности рассеиваемой на пьезоэлементе

кварцевого резонатора Низкая нагрузочная . способность данного генератора обусловливает возможность работы генератора лишь на высокоомную нагрузку, т.е. диапазон изменения нагрузок генератора ограни0 чен.

Цель изобретения - повышение стабильности частоты при расширении диапазона изменения нагрузок.

Поставленная цель достигается тем, что

5 в кварцевый генератор, содержащий первый транзистор, коллектор которого соединен с первой шиной питания, второй транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером первого транзистора, резистор,

0 первый вывод которого соединен с коллектором второго транзистора, третий транзистор и кварцевый резонатор, первый вывод которого соединён с первой шиной питания, при этом первый и второй

5 транзисторы выполнены с одинаковым типом проводимости, третий транзистор выполнен с типом проводимости, противоположным типу проводимости первого транзистора, дополнительно введены

0 четвертый, пятый и шестой транзисторы, первый и второй источники тока и первый и второй отражатели тока, при этом эмиттер третьего транзистора соединен с базой первого транзистора и эмиттером пятого тран5 зистора, база и коллектор которого соединены с коллектором второго транзистора и с базой шестого транзистора, коллектор которого соединен с входом первого отражателя тока, эмиттер шестого транзи0 стора соединен с вторым выводом кварцевого резонатора, базой второго транзистора и с эмиттером четвертого транзистора, база которого соединена с базой и коллектором третьего транзистора, коллек5 тор четвертого транзистора соединен с входом второго отражателя тока, первый Источник тока включен между второй шиной питания и коллектором третьего транзистора, второй источник тока включен между

0 второй шиной питания и эмиттером первого транзистора, второй вывод резистора соединен с первой шиной, шины питания первого и второго отражателей тока подключены соответственно к первой и вто5 рой шинам питания, а выходы первого и второго отражателей тока соединены и являются выходом кварцевого генератора, четвертый транзистор выполнен с типом проводимости, одинаковым с типом проводимости третьего транзистора, а пятый и

шестой транзисторы выполнены с типом проводимости, одинаковым с типом проводимости первого транзистора.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения, прототипа и аналогов показывает, что предлагаемый кварцевый генератор имеет следующие новые существенные признаки: активная часть генератора построена таким образом, что для управления усилительным дифференциальным каскадом на первом и втором транзисторах используются включенные параллельно по высокой частоте транзисторные пары на третьем-четвергом и пя- том-шестом транзисторах, которые одновременно служат для замыкания цепи положительной обратной связи в активной части генератора. При этом коллекторные токи четвертого и шестого транзисторов суммируются на выходе генератора при помощи отражателей тока.

Положительный эффект достигается за счет того, что при указанном включении транзисторов формирование вольт-амперной характеристики активной части генератора осуществляется путем сравнения базо-эмиттерных напряжений согласованных по параметрам транзисторов, что обус- ловливает взаимную компенсацию нестабильности их параметров на всем рабочем участке вольт-амперной характеристики. За счет стабилизации вольт-амперной характеристики активной части генератора достигается повышение стабильности мощности и спектрального состава сигнала на кварце. Применение на выходе генератора отражателей тока позволяет улучшить спектральный состав выходного сигнала, т.к. на выход генератора поступает сигнал пропорциональный току кварца, спектральный состав которого определяется частотно-избирательными свойствами кварцевого резонатора. При этом улучшается развязка генератора и нагрузки, а мощность выходного сигнала может быть увеличена увеличением коэффициента передачи токовых отражателей.

На фиг. 1 приведена электрическая схема кварцевого генератора; на фиг. 2 - распределение токов в схеме генератора при его работе.

Кварцевый генератор содержит первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4, пятый 5 и шестой 6 транзисторы, кварцевый резонатор 7, резистор 8, первый 9 и второй 10 отражатели тока, первый 11 и второй 12 источники тока.

Работу предлагаемого кварцевого генератора рассмотрим при следующих допущениях: транзисторы 1 и 2, 3 и 4, 5 и 6

идентичны, базовые токи транзисторов пренебрежимо малы по сравнению с их коллекторными токами, транзисторы работают на частотах много меньших fv, - граничной частоты коэффициента передачи транзисторов по току в схеме с общей базой а .

Первоначально подаются напряжения на шины питания и токи источников тока такой величины, чтобы вывести все транзисторы в активный режим. При этом эмиттер- ные токи транзисторов 3, 4, 5 и 6 устанавливаются равными току loi источника тока 11,а змиттерные токи транзисторов 1 и 2 равными половине тока Io2 источника

тока 12, и в генераторе возбуждаются колебания на частоте последовательного резонанса кварцевого резонатора. При этом ток кварца 1кв, поступающий на вход активной части генератора (см. фиг. 2) делится на ток

И, втекающий в эмиттер транзистора 6 и поступающий далее на вход отражателя тока 9, и ток г, втекающий в эмиттер транзистора 4 и далее поступающий на вход отражателя тока 10, т.е.:

+ 12.(1)

В случае равенства коэффициента передачи отражателей тока выходной ток квар- цевого генератора равен:

(2)

где А - коэффициент передачи токовых отражателей.

Токи ii и 12 вызывают изменение базо- эмиттерных напряжений транзисторов 6 и 4, что приводит к появлению переменного тока 1з в дифференциальном каскаде на

транзисторах 1 и 2, поступающего на резистор 8.

Определим значение тока з. Для этого просуммируем базо-эмиттерные напряжения по контуру, образованному транзисторами 1,2, Зи4

11бэ2-ибэ1 ибэ4-ибэЗ,

(3)

и по контуру, образованному транзистора- 50 ми 1,2, 6 и 5:

ибэ2-ибэ1 ибэб-ибэ5.

(4)

где Убэ - базо-эмиттерное напряжение 1-го транзистора.

Представив значения базо-эмиттерных напряжений транзисторов с помощью уравнения Эберса-Молла с точностью до значения обратного тока р-п-перехода,

преобразуем уравнения (3) и (4) к следующему виду:

(5)

(6)

I02

101

где уравнение (5) получено из (3), а (6) - из

(4).

Соотношения (5) и (6) позволяют выразить И и iz через 1з

1 I 01

2 I 01

1

I 02

1 +

I 02

- 1

1 т1 -21 з

I 02

(7)

1 -гг

102

откуда в соответствии с (1) получим:

81 01/1 02

i кв - 1 з

1-(&

I 02

Преобразуем (8) так, чтобы представить 1з как функцию 1кв:

(9)

Напряжение высокой частоты на кварцевом резонаторе приближенно равно напряжению на резисторе 8, т.к. падением напряжений на низкоомных сопротивлениях эмиттера транзисторов 4 и 6 можно в сравнении с ним пренебречь. Таким образом, вольт-амперная характеристика активной части генератора описывается следующим выражением:

«.v- tRSR ((о1

где R - сопротивление резистора 8.

Динамическое сопротивление активной части генератора равно:

ки J. («) Ъ ТГ. ъ

При этом его малосигнальное значение (при 1Кв - 0) определяется следующим соотношением:

1 г, I02

8 Ч oi

(«)

Из выражений (10), (11), (12) видно, что как малосигнальное значение отрицатель10 ного сопротивления, так и вольт-амперна я характеристика активной части генератора в целом, определяются только сопротивлением резистора 8 и токами источников тока 11 и 12 и не зависят от параметров транзи15 сторов. Так как стабильность параметров резистора и источников постоянного тока значительно выше стабильности параметров транзисторов, то имеет место повышение стабильности мощности рассеиваемой

20 на пьезоэлементе кварцевого резонатора, а также стабилизация спектрального состава сигнала на кварце, что приводит к повышению стабильности частоты предлагаемого кварцевого генератора.

25 Из выражения (2) видно, что выходной сигнал в кварцевом генераторе пропорционален току кварца, т.е. его спектральный состав определяется избирательностью, кварцевого резонатора. При этом, увеличи-

30 вая коэффициент передачи отражателей тока А, несложно получить значение выходного тока примерно на порядок превышающее величину тока кварца, причем максимально допустимая амплитуда напря35 жения на внешней нагрузке также имеет повышенное значение и равна приблизительно половине напряжения питания. Вве- дение токовых отражателей, кроме этого, обеспечивает дополнительную развязку ге40 нератора от цепей нагрузки, что повышает надежность его работы и расширяет диапазон изменения нагрузки.

Формула изобретения 45 Кварцевый генератор, содержащий первый транзистор, коллектор которого соединен с первой шиной питания, второй транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером первого транзистора, резистор, 50 первый вывод которого соединен с коллектором второго транзистора, третий транзистор и кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен с первой шиной питания, при этом первый и второй транзисторы вы- 55 полнены с одинаковым типом проводимости, третий транзистор выполнен с типом проводимости, противоположным типу проводимости первого транзистора, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности частоты при расширении диапазона изменения нагрузок, введены четвертый, пятый и шестой транзисторы, первый и второй источники тока и первый и второй отражатели тока, при этом эмиттер третьего транзистора соединен с базой первого транзистора и эмиттером пятого транзистора, база и коллектор которого соединены с коллектором второго транзистора и с базой шестого транзистора, коллектор которого соединен с входом первого отражателя тока, эмиттер шестого транзистора соединен с вторым выводом кварцевого резонатора, базой второго транзистора и с эмиттером четвертого транзистора, база которого соединена с базой и коллектором третьего транзистора, коллектор четвертого транзистора со0

5

единен с входом второго отражателя тока, первый источник тока включен между второй шиной питания и коллектором третьего транзистора, второй источник тока - между второй шиной питания и эмиттером первого транзистора, второй вывод резистора соединен с первой шиной питания, шины питания первого и второго отражателей тока подключены соответственно к первой и второй шинам питания, а выходы первого и второго отражателей тока соединены и являются выходом кварцевого генератора, четвертый транзистор выполнен с типом проводимости, одинаковым с типом проводимости третьего транзистора, а пятый и шестой транзисторы - с типом проводимости, одинаковым с типом проводимости первого транзистора.

К&рце$ый гене/мтор