Кварцеві генератори і резонатори
Генератори з кварцовою стабілізацією (або кварцові генератори) використовують в якості ІЦ п'єзоелектричний резонатор у вигляді пластини з кварцу з металізованими поверхнями. Нині ряд фірм випускає такі резонатори на частотах від декількох кілогерц до сотень мегагерц (див. рис. 1.13). Але найбільш поширені кварцові резонатори з частотами від десятків кілогерц до десятків мегагерц.
Рис. 1.13. Вітчизняні квачеві резонатори в різних корпусах
Розміри кварцового резонатора зростають зі зменшенням частоти їх резонансу. Найвищу стабільність частоти мають кварцові резонатори, розміщені в корпусі з глибоким вакуумом. Високочастотні резонатори часто використовуються в схемах множення частоти.
Завдяки зворотному п’єзоефекту кварцова пластина коливається при прикладеній до неї змінній напрузі. Якщо частота його наближається до частоти механічного резонансу, то амплітуда механічних коливань різко посилюється, і завдяки прямому п'єзоефекту в кварці виникає електричне поле, що підсилює
струм, що протікає через кварцову пластину. При цьому резонатор веде себе як послідовний LCR-контур дуже високої добротності Q - до декількох мільйонів. З урахуванням власної ємності обкладок пластин C0 еквівалентна схема кварцового резонатора набуває вигляду, показаний на рис. 1.14, а.
Рис.1.14. Еквівалентні схеми кварцового резонатора: звичайна(а), встановленого на друковану плату (б) і повна (в).
Як видно з рис. 1.14, а, резонанс кварцу може бути обумовлений як послідовним, так і паралельним еквівалентним коливальним контуром. показують, що резонансні частоти дуже близькі, але все ж трохи розрізняються. Випускаються кварци, у яких частота резонансу орієнтована на послідовний або паралельний резонанс, що треба враховувати як при виборі резонатора, так і схеми генератора.
При установці кварцового резонатора на друковану плату треба враховувати ємності монтажу (навантаження) CL1 і CL2 (рис. 1.14, б). В результаті еквівалентна схема кварцового резонатора набуває вигляду, показаний на рис. 1.14,в.
Частоти послідовного fs і паралельного fp резонансів кварцового резонаторів:
(1.23)
При цьому fp> fs. У паспортних даних на кварцові резонатори зазвичай вказується частота паралельного резонансу і ємність навантаження. За допомогою формули для fp неважко оцінити відхилення частоти паралельного резонансу від паспортного значення при невідповідності ємності CL її номінального значення. Змінюючи ємність навантаження CL, можна в деяких (дуже невеликих) межах змінювати частоту резонансу кварцового резонатора.
Завдяки прекрасній стабільності механічних властивостей кварцового резонатора і високої добротності його еквівалентних контурів типова нестабільність частоти кварцових автогенераторів становить 10 -5 - 10 -4, а для кварцових резонаторів, розміщується у термостатах, навіть 10 -8 - 10 -6. За цим параметром кварцові генератори набагато перевершують всі інші, за винятком унікальних молекулярних і лазерних генераторів, знайомих тільки фахівцям з метрології.
Властивості кварцових резонаторів, зокрема температурний дрейф їх резонансної частоти, залежать від кутів зрізу пластини в кристалі кварцу відносно
таллографічних осей (рис. 1.15). При певних кутах зрізу можна отримати близький до нуля температурний дрейф (зріз типу BT), але в межах невеликої області температур, наприклад 20 ± 5 ° С або 60 ± 5 ° С. Кварцові резонатори з таким темпом температурного діапазону часто поміщаються в термостати і використовуються для побудови вторинних еталонів частоти. Існує кілька видів зрізів кварцових пластин, від них залежать розміри пластин і тип їх коливань.
Кварцові резонатори типу BT застосовуються в термостабілізованих генераторах. Їх нестабільність сягає значення близько 10-6, що достатньо для багатьох застосувань таких генераторів. При інших зрізах для підвищення стабільності частоти застосовуються термостатичні кварцові резонатори або в цілому генератори.
Термостат має забезпечувати стабільність температури порядку 0,001-0,1°С, що можливо при ретельному його проектуванні.
Рис. 1.15. Температурні залежності частоти для кварцових резонаторів з різними типами зрізу
Чверть століття тому кварцовий генератор в апаратурі вважався особливим шиком і застосовувався в порівняно дорогих вимірювальних приладах для їх калібрування по частоті. Але в наш час кварцові резонатори доступні і випускаються у величезній номенклатурі. Так що, якщо потрібен простий генератор на фіксовану частоту, то його нерідко простіше побудувати на мініатюрному кварцовому резонаторі, ніж на більш громіздкому і куди більш нестабільному LC- контурі. Втім, не варто забувати, що високостабільний кварцовий резонатор коштує помітно дорожче, ніж LC-контур.
Кварцові генератори - це пристрої з кварцовими резонаторами. Вони можуть працювати на частотах паралельного або послідовного резонансів, або на частотах, кратних їм. Узагальнена схема такого генератора відповідає рис. 1.6, а, де в якості ІЦ використовується кварцовий резонатор або фільтр.
В якості підсилювача найбільш часто застосовуються логічні мікросхеми, трічери Шмітта, операційні підсилювачі, різні каскади на біполярних і польових транзисторах. На рис. 1.16 показано кілька схем кварцових генераторів, виконаних на логічних мікросхемах.
Кварцові генератори на логічних мікросхемах зазвичай генерують несинусоїдальну напругу. Вона швидше близька до прямокутним імпульсам. Однак такі генератори автоматично узгоджуються з рівнями сигналу зі стандартними інтегральних схемами і можуть застосовуватися для роботи з ними, наприклад, як тактових генераторів. Для зниження частоти можуть використовуватися цифрові дільники частоти, які є практично у всіх серіях логічних мікросхем.
Генератори на логічних мікросхемах можуть забезпечити нестабільність частоти близько 10- 5- 10- 4, що на 1-2 порядки гірше, ніж нестабільність частоти звичайного кварцового генератора синусоїдального сигналу. Причина цього полягає в великому впливі на параметри кварцового резонатора (особливо на його добротність) значно нестабільних параметрів схеми різко нелінійного підсилювача, в ролі якого виступають логічні схеми.
Рис.1.16. Схеми кварцових генераторів на логічних схемах
Досить часто в схемах низькочастотних кварцових генераторів використовуються і операційні підсилювачі. Схема, показана на рис. 1.17, використовує живлення операційного підсилювача від одного джерела живлення, що спрощує побудову таких схем.
Нині операційні підсилювачі випускаються практично на будь-які частоти, які можуть генерувати кварцові резонатори. Однак високочастотні підсилювачі
достатньо дорогі, що обмежує їх застосування в кварцових генераторах.
Біполярні транзистори є найбільш прийнятними для побудови схем кварцових генераторів, внаслідок їх дешевизни і достатньої високочастотності (частоти в сотні МГц). Це робить побудову кварцових генераторів на них економічно виправданою, ніж на інтегральних мікросхемах.
На рис. 1.18 показана типова схема кварцового генератора на біполярному транзисторі. Завдяки настройці контура на п'яту гармоніку кварцу з частотою 5,6 МГц генерується частота 28 МГц. Зрозуміло, подібну схему можна використовувати і для генерації на інших гармоніках, в тому числі і на першій.
Рис. 1.17. Схема кварцового генератора на інтегральному операційному підсилювачі
У літературі, особливо радіоаматорській, можна знайти величезну кількість схем кварцових автогенераторів.
Рис.1.18. Схема кварцового генератора на біполярному транзисторі, що працює на п’ятій гармоніці в кварцовому резонаторі