Термостатированные кварцевые опорные генераторы
Работа кварцевого кристалла при определенной температуре позволяет практически исключить уход частоты генератора от температуры. Именно поэтому были разработаны термостабилизированные кварцевые генераторы OCXO. Стабилизировать температуру генератора легче всего при повышенной температуре. Тогда охлаждение будет происходить просто за счет передачи тепла окружающей среде.
Рисунок 1. Термоизоляция корпуса OCXO
Для стабилизации температуры используются схемы поддержания постоянной температуры. В них используется обратная связь с применением термодатчика и нагревателя. Один из вариантов подобной схемы приведен на рисунке 2.
Рисунок 2. Схема стабилизации температуры
Конкретная температура, которую следует стабилизировать, определяется углом среза кварцевого кристалла. Для AT-среза это 70°C.
Однако специально для термостабилизированных кварцевых генераторов в 1976 году был разработан особый срез кварцевого кристалла, обладающий улучшенными характеристиками. Он получил название SC-срез (stress compensated — срез с компенсацией напряжений в кристалле). Этот срез получается двойным поворотом относительно кристаллографических осей, как это показано на рисунке 3.
Рисунок 3. Расположение пластинки SC-среза относительно кристаллографических осей кварцевого кристалла
Сравнение температурных характеристик этих срезов кристалла приведено на рисунке 4.
Рисунок 4. Температурные зависимости ухода частоты кварцевых резонаторов AT и
На данном рисунке отчетливо видно, что AT срез однозначно превосходит в широком диапазоне температур, однако в узком интервале температур в районе 92°C уход частоты у CS среза будет меньше, а именно это и требуется для теромостабилизированных кварцевых генераторово TCXO. Более точные графики в диапазоне температур от 60 до 100°C приведены на рисунках 5 и 6.
Рисунок 5. температурные зависимости ухода частоты кварцевых резонаторов
Рисунок 6. температурные зависимости ухода частоты кварцевых резонаторов
Как видно из рисунков 5 и 6, применение среза кварцевой пластинки с двойным поворотом относительно кристаллографических осей позволяет уменьшить зависимость от температуры на два порядка. Таким образом данный тип генераторов (OCXO) позволяет достигнуть стабильности частоты 10 –13 (например, опорные генераторы HSO 14 фирмы RAKON).
Для этих опорных генераторов требуются уже корпуса больших размеров. Это обусловлено необходимостью термоизоляции от окружающей среды. Именно поэтому термостабилизированные генераторы часто называют термостатированными генераторами от слова термостат (термос). Даже образцы, предназначенные для монтажа на печатные платы обладают размерами 36×27×18,8 мм. Внешний вид подобного отечественного опорного генератора ГК193-ТС приведен на рисунке 7.
Рисунок 7. Внешний вид термостабилизированного кварцевого генератора OCXO
Дата последнего обновления файла 26.03.2018
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Вместе со статьей «Термостатированные кварцевые опорные генераторы» читают:
Источник
Опорные кварцевые генераторы с температурной компенсацией ухода частоты TCXO
Кварцевые генераторы с температурной компенсацией ухода частоты позволяют значительно повысить стабильность частоты выходного колебания. Как мы уже обсуждали ранее, для целей устройств связи стабильности частоты 10 –5 , которую обеспечивают обычные кварцевые генераторы XO недостаточно. В то же самое время температурная зависимость AT-среза кварцевого кристалла хорошо известна. Поэтому в качестве опорных генераторов были разработаны термокомпенсированные кварцевые генераторы TCXO.
Изменение частоты кварцевого генератора с кристаллом AT-среза и компенсирующее напряжение, подаваемое на варикап VCXO, в зависимости от температуры окружаещей среды, приведено на рисунке 1. На этом же рисунке приведено изменение частоты термокомпенсированного кварцевого генератора TCXO.
Рисунок 1. График изменения частоты кварцевого генератора и компенсирующего напряжения
Неточная компенсация частоты объясняется ошибками формирования компенсирующего напряжения. Кроме того, уход частоты при росте температуры и понижении температуры несколько различаются. Кривая обладает гистерезисом. График изменения частоты кварцевого генератора показан на рисунке 2.
Рисунок 2. График изменения частоты кварцевого генератора
Простейшие версии TCXO выполняются с применением терморезисторов. Одна из возможных схем кварцевого термокомпенсированного генератора приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема кварцевого генератора с температурной компенсацией ухода частоты TCXO
В этой схеме на резисторе R1 и стабилитроне VD1 собран стабилизатор напряжения. Терморезисторы R2 и R5 вместе с обычными резисторами R3 и R4 формируют зависимость напряжения от температуры, приведенную на рисунке 1. Это напряжение подается на варикап VD2 и подстраивает частоту кварцевого генератора под заданное значение. Сам генератор собран по схеме Клаппа на транзисторе VT1. Внутреннее устройство одной из микросхем термокомпенсированного кварцевого генератора приведено на фотографии, показанной на рисунке 4.
Рисунок 4. Внутреннее устройство одного из видов кварцевого термокомпенсированного генератора
В современных версиях этих генераторов ставится датчик температуры и микроконтроллер с таблицей зависимости напряжения, которое нужно выдать на варикап VCXO от температуры. В результате можно получить нестабильность по частоте до 0,5×10 -6 или 0,5 ppm.
На рисунке 5 приведен примерный вид температурной зависимости генератора TCXO.
Рисунок 5. Типовая температурная зависимость ухода частоты при температурной компенсации
Подобные опорные генераторы немного дороже простых кварцевых генераторов, но при этом они размещаются в точно таких же корпусах микросхем, как и обычные кварцевые генераторы XO. Применение TCXO в качестве опорных генераторов позволяет значительно улучшить характеристики аппаратуры связи. А то, что опорный генератор используется только один, вместо нескольких обычных, может даже удешевить гаджет. TCXO широко применяютя в сотовых телефонах и в аппаратуре программно реализованных раций (software radio). Внешний вид корпусов кварцевых генераторов TCXO приведен на рисунке 6.
Рисунок 6. Внешний вид опорных кварцевых генераторов с температурной компенсацией
Термокомпенсированные опорные кварцевые генераторы производятся рядом отечественных и иностранных фирм. В качестве примера можно назвать такие микросхемы как ОАО «Морион», ГК321-ТК-01-С открытого акционерного общества «Пьезо» или фирмы Racon.
В настоящее время термокомпенсированные кварцевые генераторы все больше размещаются в корпусах поверхностного монтажа. Пример внешнего вида подобного TCXO показан на рисунке 7.
Рисунок 7. Внешний вид генератора TCXO в SMD корпусе
Внутреннее устройство подобного вида термокомпенсированных кварцевых генераторов может выглядеть так, как показано на рисунке 8.
Рисунок 8. SMD термокомпенсированный генератор со снятой верхней крышкой
А его чертеж и чертеж посадочного места на печатной плате приведен на рисунке 9.
Рисунок 9. Чертеж TCXO в SMD корпусе
Приобрести для эксперимента или для разрабатываемого вами устройства наиболее распространенный вид опорного генератора TCXO на частоту 26 МГц можно здесь
Дата последнего обновления файла 24.03.2018
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Вместе со статьей «Опорные кварцевые генераторы с температурной компенсацией ухода частоты TCXO» читают:
Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 . 2020
Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин
Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).
А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре «Сигнал», Научно производственной фирме «Булат». В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.
Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи «Сигнал-201», авиационной системы передачи данных «Орлан-СТД», отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.
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