Схеми кварцових автогенераторів

В автогенераторах кварцовий резонатор використовується як індуктивність, що сильно залежить від частоти і мало змінюється з температурою.

В схемі зображеній на рис.3.5а кварц підключено до входу польового транзистора. На виході транзистора стоїть контур, власна частота якого має бути вищою за власну частоту кварцу[1]. Елементом зворотного зв’язку є прохідна ємність С_ЗС, яка завжди існує між затвором і стоком транзистора. Тоді для частот у діапазоні від до до входу транзистора підключена індуктивність кварцу, а до виходу транзистора - індуктивність, яку являє собою вихідний контур, і схема може бути зведена до схеми індуктивної трьохточки (схема Хартлі), де роль ємності контуру відіграє ємність С_ЗС (рис.3.5б).

В зображеній схемі застосовується польовий (а не біполярний) транзистор для того, щоб його вхідний опір не шунтував кварц і не погіршував його добротності. Резистор R потрібний для того, щоб на затворі встановлювалась певна (в даному випадку - нульова) постійна напруга, відповідна до режиму транзистора. Оскільки постійний струм в колі затвора практично не протікає, величина R може бути достатньо великою (порядку кількох Мом), яка шунтуючи кварц не сильно погіршує його добротність

.

Завдяки тому, що ефективна індуктивність створюваного коливального контуру дуже велика, а ємність С_ЗС мала, його добротність і еквівалентний опір вельми великі, так що автогенератор самозбуджується дуже легко.

Інший варіант схеми кварцевого генератора наведено на рис.3.6а. В ньому кварц увімкнено між затвором і стоком транзистора. Власна частота вихідного контуру має бути дещо нижчою від та , так щоб на частоті самозбудження вихідний контур мав еквівалентний ємнісний опір. Тоді схема автогенератора може бути зведена до схеми ємнісної трьохточки - схеми Колпітца (рис.3.6б), де ємність С_ЗВ - вхідна ємність транзистора.

Стабільність частоти автогенераторів з кварцем виявляється порядку . Цього звичайно буває достатньо для більшості практичних застосувань. Якщо ж забезпечити стабільність джерел живлення, термостатування кварцу і всієї схеми в цілому, то стабільність може бути доведеною до . Така висока стабільність дозволяє використовувати стабілізований кварцевий автогенератор як еталон частоти або еталон часу. Такі кварцеві годинники використовуються тепер в службі часу замість звичайних механічних годинників.

Ще більш високу стабільність частоти мають лише квантовомеханічні радіоелектронні пристрої, де як еталон частоти використовуються переходи між енергетичними рівнями вільних молекул або атомів. Стабільність частоти таких автогенераторів (щоправда, на протязі порівняно коротких проміжків часу) досягає , тобто менше одної мікросекунди за рік.

Контрольні питання до розділу

"Стабільність частоти автогенератора".

1. Як впливає інерційність транзистора на частоту самозбудження автогенератора?

2. Відомо, що із збільшенням постійної напруги на колекторі ефективна товщина бази зменшується (ефект Ерлі). Як це буде відбиватися на частоті автогенератора?

3. Яка основні причини нестабільності частоти автогенератора? Якими засобами можна поліпшити стабільність частоти, не вдаючись до застосування кварцу ?

4. Чому висока добротність коливного контуру забезпечує кращу стабільність частоти автогенератора?

5. Які саме властивості роблять кварцову пластинку ідеальним високочастотним резонатором?

6. Які (за порядком величини) еквівалентні LRC-параметри кварцового резонатора?

7. Як впливає на властивості кварцового резонатора ємність електродів С₀ ?

8. В якому інтервалі частот може працювати автогенератор, зображений на рис.3.5? Який за знаком реактивний опір кварцу на цій частоті?

9. Нащо потрібний резистор R, який шунтує кварц на рис.3.5?

10. Чи залежатиме частота, яку генерує автогенератор, зображений на рис.3.6, від настройки вихідного контуру?

11. Чи можна без шкоди вилучити ємність C з вихідного контуру автогенератора, зображеного на рис.3.5? Як це вплине на роботу автогенератора?

12. Якої найвищої стабільності (за порядком величини) можна досягти, використовуючи кварцову стабілізацію?

Задачі до розділу

"Стабільність частоти автогенератора".

1. У автогенераторі параметри контуру L = 64 мкГ; C = 100 пФ; Q₀ =50;. На скільки зміниться частота його коливань, якщо врахувати, що інерційність транзистора становить t = 2,8×10^-8 с?

2. Для середньої частоти f₀ = 2 МГц смуга пропускання каналу радіозв'язку становить

F = 10⁴ Гц. Якою повинна бути (за порядком величини) стабільність частоти автогенератора, щоб відхід частоти не впливав на якість радіозв'язку? Чи необхідна кварцова стабілізація частоти?

3. Еквівалентні електричні параметри кварцового кристалу L = 10 Г; C = 3×10^-3 пФ; r = 10³ Ом. Визначте його власну частоту та добротність.

4. Паралельно кристалу кварцу, розглянутому в задачі №2, увімкнена ємність C₀ = 10 пФ. Чому дорівнюватимуть резонансні частоти цієї системи (частота послідовного та паралельного резонансів)?

5. Якою буде еквівалентна індуктивність кварцового кристалу, розглянутого в задачі №3, на частоті w = 5774000 с^-1 ?

[1] Ставити конденсатор С в контур необов’язково. Роль цієї ємності може відігравати і вихідна ємність транзистора.