Кварцевые генераторы на биполярных и полевых транзисторах, а также
цифровых КМОП и ТТЛ микросхемах. Осцилляторные схемы генераторов
стабильной частоты, онлайн калькулятор расчёта элементов.
Параметр стабильности LC-генератора при условии качественного исполнения данного узла, наличия высокодобротных катушек и конденсаторов с подобранными ТКЕ может достигать достаточно высоких значений. Это даёт возможность радиолюбителю, не направляя свой взгляд в сторону цифровых аксессуаров, вести комфортный приём/передачу однополосных сигналов в частотном диапазоне работы ГПД до 10-15Мгц.
Можно, конечно, попытаться залезть и повыше, но ненамного — начинают возникать нюансы. С одной стороны, чем дальше влез, тем больше интерес, с другой — становится всё труднее удержать частоту генератора в сфере своего влияния. А при частотах колебаний свыше 30МГц, долговременная относительная нестабильность генератора становится таковой, что «голос любителя, радостно вещающего однополосным SSB сигналом о преимуществах «Яги» перед «Двойным квадратом», начинает плавно глиссандировать от убедительного баритона Левитана до легкомысленного тенора оперной дивы».
И вот тут уже — жить без кварцевого резонатора становится сложновато. Причём окварцованный генератор может использоваться как готовый гетеродин на фиксированную частоту, так и в качестве опорника для цифрового синтезатора частоты.
Кварцевый резонатор (кварц) — радиоэлемент, в котором явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы.
Добротность кварцевых резонаторов во много раз превышает добротность резонаторов на LC-контурах и составляет 10 4 . 10 6 . Долговременная относительная нестабильность частоты — не хуже чем 10 -6 . 10 -8
Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора в схемах генераторов, надо рассмотреть его эквивалентную схему:
 Рис.1 |
Частота последовательного резонанса выражается формулой: 
,
а частота параллельного: 
.
Произведя несложные математические манипуляции, получаем:
Поскольку на практике Сo≫Ck, то расхождение между частотами параллельного и последовательного резонансов невелико — максимальная разность близка к 0,4% от паспортной частоты кварца. Также не составит особого труда заметить, что Fпар всегда > Fпосл.
Для интересующихся приведу некоторые типичные значения параметров эквивалентной схемы кварцевых резонаторов.
| F (Мгц) | Lk (мГн) | Ck (пФ) | Rk (Ом) | Cо (пФ) |
| 1 | 1910 | 13,3×10 -3 | 200 | 5 |
| 10 | 28,6 | 8,86×10 -3 | 12 | 4 |
| 12 | 24 | 7,368×10 -3 | 12 | 4 |
| 20 | 11,94 | 5,3×10 -3 | 10 | 3,5 |
Переходим к некоторым расхожим схемам генераторов с кварцевой стабилизацией частоты.
 Рис.2  Рис.3 |
Один только кварцевый резонатор не сможет обеспечить такой поворот фазы. Поэтому в схему дополнительно вводятся конденсаторы C1 и C2.
При возбуждении кварцевого резонатора на нечётных механических гармониках кварца, вместо резистора R3 включают катушку индуктивности L1 (Рис.3).
Параметры контура следует выбирать так, чтобы его собственная частота составляла 0,7. 0,8 от частоты генерации. В результате контур имеет ёмкостную проводимость на частоте необходимой гармоники, что исключает возможность генерации на низших гармониках и основной частоте.
Значительно большим фазовым запасом для возникновения условий генерации обладают схемы ёмкостных трёхточек Пирса, выполненные на полевых транзисторах, либо КМОП микросхемах, в том числе и цифровых. Объясняется это высоким входным сопротивлением подобных устройств, что, в свою очередь, создаёт более правильные условия для работы цепей фазовращателя.
 Рис.4 Рис.5 Рис.6 |
построенная на высокочастотном ОУ, либо инверторе КМОП-логики, использующимся в качестве инвертирующего усилителя.
По сравнению со схемами на биполярных транзисторах, приведённые осцилляторы не так критичны в точности выбора номиналов фазосдвигающих конденсаторов С1 и С2. При применении цифровых КМОП инверторов, даже при выборе типичных значении ёмкостей C1 = C2 = 15 пФ, сохраняются условия для устойчивой генерации в достаточно широком диапазоне частот.
Генераторы Пирса вполне заслуженно считаются генераторами с наилучшей кратковременной стабильностью частоты, однако обладают определённым набором недостатков — как то: относительная сложность, необходимость качественной стабилизации базового тока транзистора, а также то, что ни один из выводов кварцевого резонатора не подключён к шине корпуса.
Отчасти указанных недостатков лишён генератор Колпитца — схемотехническое решение ещё одного трехточечного кварцевого генератора, в котором транзистор активного элемента по переменному току включён по схеме с общим коллектором. При этом кварцевый резонатор, имеющий индуктивный характер реактивного сопротивления, входит в состав параллельного резонансного контура, один из выводов которого может быть подключён к земляной шине.
 Рис.7 Рис.8 |
 Рис.9 Рис.10 |
колебаний именно на той частоте гармоникового кварца, который указан на его корпусе.
Ровно та же самая история, но с полевым транзистором вместо биполярного приведена на Рис.10.
На высоких частотах, вплоть до 300МГц, целесообразно применять однокаскадные схемы генераторов с общей базой (Рис.11).
Рис.11Рис.12 Рис.13 Рис.14
Схемы, приведённые на Рис.11 и Рис.12 функционально абсолютно идентичны, хотя первая из них представляет индуктивную трёхточку с кварцевым резонатором, выполненную по схеме Хартли, а вторая ёмкостную — по схеме Колпитца.
Для возникновения колебаний необходимо, чтобы колебательный контур был настроен на частоту кварцевого резонатора, либо на частоту, равную кратной основной частоте гармоники.
Дальнейшего улучшения условия самовозбуждения этих автогенераторов на высоких частотах можно добиться, включив параллельно кварцу дополнительную катушку индуктивности L2 (Рис.13 и Рис.14). Контур, образованный параллельной ёмкостью кварца Со и катушкой L2, настраивают на частоту используемой гармоники.
Точно также как и в предыдущих случаях, биполярный транзистор лёгким движением руки может быть заменён на полевой с соответствующими цепями смещения.
ВАЖНО!
1. К источнику питания любые ВЧ генераторы, в том числе и окварцованные, следует подключать через интегрирующую RC цепочку, представляющую из себя резистор номиналом несколько сотен Ом (в зависимости от рабочего тока транзистора) и конденсатор, идущий одним выводом на землю, ёмкостью 0,1МкФ.
2. Каскады, подключаемые к выходу генератора, должны иметь достаточно высокое входное сопротивление. Идеально — если это будут цепи, реализованные на полевых транзисторах.
3. Разделительные конденсаторы, нарисованные на схемах последовательно с кварцевыми резонаторами, призваны отсечь от кварца постоянное напряжение. Кто-то их ставит, кто-то нет — по-любому, внятных теоретических обоснований по поводу вреда здоровью резонаторов от постоянки я не встречал. Так, что считайте присутствие этих элементов факультативным, хуже точно не будет, лучше — вполне вероятно.
4. Базовая схема кварцевого генератора на цифровой микросхеме (Рис.6) отлично работает в широком диапазоне частот и не требует никаких модификаций. Многочисленные 2-3 вентильные вариации на заданную тему большого смысла не имеют, так как обладают худшими частотными свойствами. Разве, что можно обратить внимание на схему, приведённую на Рис.15, которая за счёт более высокого общего коэффициента усиления создаёт дополнительные условия для устойчивой генерации и меньшей зависимости от номиналов ёмкостей.
Рис.15
Ну и по традиции — калькулятор в студию!
ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Приведённый калькулятор не претендует на 100% достоверность, так не в состоянии учитывать реальные характеристики применяемых резонаторов, однако, в большинстве случаев поможет радиолюбителю не допустить явных ошибок и запустить устройство без шаманства и танцев с бубнами.
А на следующей странице рассмотрим схемы кварцевых генераторов, обладающих способностью плавной перестройки в некотором не очень широком диапазоне частот.
Источник
Опорные генераторы
В настоящее время при разработке радиоэлектронной аппаратуры уделяется огромное внимание стабильности ее характеристик. Средства подвижной радиосвязи, в том числе сотовой связи не являются исключением. Основным условием достижения стабильных характеристик узлов радиоэлектронной аппаратуры является стабильность частоты задающего генератора.
В составе любой радиоэлектронной аппаратуры, в том числе приемников, передатчиков, микроконтроллеров обычно присутствует большое количество генераторов. Первоначально приходилось применять усилия для обеспечения стабильности частоты всех генераторов. С развитием цифровой техники люди научились формировать колебание любой частоты из одной исходной частоты. В результате появилась возможность выделить дополнительные средства для повышения стабильности частоты ОДНОГО генератора и тем самым получить целый ряд частот с очень высокой стабильностью. Такой генератор частот получил название опорный генератор
Первоначально для получения стабильных колебаний LC генераторов применялись особые конструктивные методы:
- Изменение индуктивности за счет расширения металла проволоки компенсировали выбором материала сердечника, влияние которого было обратным по отношению к влиянию проводников индуктивности;
- осуществляли вжигание металла в керамический сердечник с малым температурным коэффициентом расширения;
- в контур включались конденсаторы с различным температурным коэффициентом емкости (ТКЕ).
Таким образом удавалось достигнуть стабильности частоты опорного генератора 10 –4 (на частоте 10 МГц уход частоты составлял 1 кГц)
Одновременно велись работы по применению совершенно других методов получения стабильных колебаний. Были разработаны струнные, камертонные, магнитострикционные генераторы. Их стабильность достигала весьма высоких значений, но при этом габариты, сложность и цена препятствовали их широкому распространению. Революционным прорывом оказалась разработка генераторов с применением кварцевых резонаторов. Одна из наиболее распространенных схем кварцевых генераторов, выполненная на биполярном транзисторе, приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема кварцевого генератора на биполярном транзисторе
В этой схеме опорного генератора баланс амплитуд обеспечивается транзистором VT1 а баланс фаз — контуром Z1, C1, C2. Генератор собран по стандартной схеме Колпитца. Отличием является то, что вместо катушки индуктивности применяется кварцевый резонатор Z1. Следует заметить, что в данной схеме не обязательно для обеспечения стабильной работы схемы применять эмиттерную стабилизацию. Часто оказывается вполне достаточно и коллекторной стабилизации режима работы транзистора. Подобная схема приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. Схема кварцевого генератора с коллекторной стабилизацией режима
Схемы кварцевых генераторов, приведенных на рисунках 1 и 2, позволяют получить стабильность частоты опорного колебания порядка 10 –5 На кратковременную стабильность колебаний опорного генератора наибольшее влияние оказывает нагрузка. При присутствии на выходе опорного генератора посторонних колебаний возможен захват его колебаний. В результате кварцевый генератор будет производить колебания с частотой помех. Для того, чтобы это явление не проявлялось в опорном генераторе на его выходе обычно ставят усилитель, основное назначение которого не пропустить внешние колебания в кварцевый генератор. Подобная схема приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема кварцевого генератора с развязкой частотозадающих цепей от выхода схемы
Не менее важным параметром, во многом определяющим фазовые шумы генератора (для цифровых схем — джиттер сигнала синхронизации), является напряжение питания, поэтому опорные кварцевые генераторы обычно запитывают от высокостабильного малошумящего источника напряжения и осуществляют фильтрацию питания RC или LC цепочками.
Наибольший вклад в нестабильность частоты кварцевого генератора вносит температурная зависимость резонансной частоты кварцевого резонатора. При изготовлении резонаторов кварцевых опорных генераторов обычно применяются AT-срезы, обеспечивающие наилучшую стабильность частоты в зависимости от температуры. Она составляет 1*10 –5 (10 миллионнных или 10 ppm). Пример зависимости частоты кварцевых резонаторов с AT-срезом от температуры при различных углах среза (шаг изменения угла среза 10′) приведен на рисунке 4.
Рисунок 4. Зависимость частоты кварцевых резонаторов с AT-срезом от температуры
Нестабильности частоты 1*10 –5 достаточно для большинства радиоэлектронных устройств, поэтому кварцевые генераторы без специальных мер по повышению стабильности частоты применяются очень широко. Опорные генераторы с кварцевой стабилизацией без дополнительных мер по стабилизации частоты называются XO.
Как это видно из рисунка 4, зависимость частоты настройки кварцевого резонатора с AT-срезом от температуры хорошо известна. Более того, эту зависимость можно снять экспериментально для каждого конкретного экземплята кварцевого резонатора. Поэтому, если постоянно измерять температуру кварцевого кристалла (или температуру внутри кварцевого опорного генератора), то частоту генерации опорного генератора можно сместить к номинальному значению увеличивая или уменьшая дополнительную емкость, подключенную к кварцевому резонатору.
В зависимости от схемы управления частотой такие опорные генераторы называются TCXO (кварцевые генераторы с термокомпенсацией) либо MCXO (кварцевые генераторы с микроконтроллерным управлением). Стабильность частоты таких кварцевых опорных генераторов может достигать 0.5*10 –6 (0.5 миллионных или 0.5 ppm)
В ряде случаев в опорных генераторах предусмотрена возможность подстройки номинальной частоты генерации в небольших пределах. Подстройка частоты осуществляется напряжением, подаваемым на варикап, подключенный к кварцевому резонатору. Диапазон подстройки частоты генератора не превышает долей процента. Такой генератор называется VCXO. Часть схемы опорного генератора (без схемы термокомпенсации) приведена на рисунке 5.
Рисунок 5. Кварцевый генератор с подстройкой частоты внешним напряжением (VCXO)
В настоящее время многие фирмы выпускают опорные генераторы со стабильностью частоты до 0,5*10 –6 в малогабаритных корпусах. Пример чертежа подобного опорного генератора приведен на рисунке 6.
Рисунок 6. Внешний вид опорного кварцевого генератора с температурной компенсацией
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Вместе со статьей «Опорные генераторы» читают:
Источник