Стабілізація частоти автогенераторів

Размещено на http://allbest.ru

Стабілізація частоти автогенераторів

1. Вплив інерційності транзистора на роботу автогенератора

Досі при розгляді роботи автогенератора ми нехтували інерційністю транзистора і вважали, що його колекторний струм є синфазним з базовою напругою (рис.3.1а).

Струм збуджує контур на резонансній частоті, так що спад напруги на контурі є синфазним зі струмом (бо повний опір контуру є цілком активним і дорівнює ).

Цьому спаду напруги дорівнює і є протилежною за фазою напруга на транзисторі . При дійсному і від'ємному (а саме таке значення забезпечує позитивний зворотний зв'язок) напруга дорівнює і протилежна за фазою до .

При врахуванні інерційності транзистора колекторний струм має відставати від керуючої базової напруги та базового струму на кут (рис.3.1б). Оскільки вимоги протифазності і , а також і ,зберігаються (бо вони задані структурою схеми), то виявляється, що струм має відставати від спаду напруги на контурі. Це може бути, якщо контур являє собою індуктивний опір.

Останнє можливе, якщо генерація відбувається не на частоті , а на частоті . Отже з причини інерційності транзистора частота, яка буде генеруватися, має трохи різнитися від резонансної частоти контуру і бути нижчою від неї. Кут залежить від багатьох факторів, в тому числі від режиму транзистора і його температури. Причиною зміни кута від режиму (наприклад, від ) є, у першу чергу, ефект Ерлі. При зміні змінюється товщина збідненого шару на колекторно-базовому переході (головним чином у бік бази), ефективна товщина бази зазнає зміни і час руху неосновних носіїв через базу також змінюється.

При зміні температури зазнає зміни коефіцієнт дифузії неосновних носіїв у базі та їх рухливість, що також може спричиняти до зміни часу їх руху через базу і, отже, впливатиме на кут

Таким чином відкривається шлях для впливу режиму і температури на частоту генерації, що може бути причиною її нестабільності. Відхилення частоти , що її генерує автогенератор, від резонансної частоти контуру при заданому куті визначається добротністю контуру

або (при малих кутах )

З цих формул видно, що при певному куті відхилення частоти від резонансного значення буде тим меншим, чим більша добротність контуру.

Отже контур є, так би мовити, “гарантом” стабільності частоти автогенератора, саме він забезпечує мализну змін частоти генерованих коливань незважаючи на дію усіх факторів, що призводять до змін фазового кута . Тим більші вимоги висуваються до стабільності власної частоти самого контуру та його добротності.

2. Проблема стабільності частоти автогенератора

Однією з основних вимог, що ставляться до автогенераторів - це стабільність частоти генерованих ними коливань. Інколи вимоги до стабільності частоти бувають дуже суворі. Зокрема це стосується радіомовних станцій, бо при непередбачуваних змінах частоти вони можуть спричиняти завада одна одній. Кількісно стабільність частоти визначається як відношення , де - можливе відхилення частоти автогенератора від її середнього значення . автогенератор добротність стабільність частота

Якщо не вживати ніяких спеціальних заходів до стабілізації частоти, нестабільність складає звичайно . Стабілізація джерел живлення, використання у коливному контурі високоякісних деталей (наприклад, конденсаторів з малим температурним коефіцієнтом зміни ємності), термокомпенсації та термостабілізації режиму транзистора - все це дозволяє покращити стабільність частоти на порядок і одержати .

Саме його температурна стабільність і висока добротність можуть забезпечити достатньо високу стабільність частоти генерованих коливань. Таку високу стабільність можна забезпечити використовуючи у контурі автогенератора кварцові кристали, або, як то кажуть, «кварцувати» автогенератор.

3. Кварцова платівка як високоякісний електричний резонатор

Платівка вирізана з монокристалу кварцу являє собою вельми досконалий механічний резонатор. Кварц як матеріал має цілу низку унікальних якостей: механічну міцність і твердість, високу пружність, мале внутрішнє тертя і дуже малий коефіцієнт теплового розширення.

Тому кварцовий резонатор має дуже мале згасання коливань і високу температурну стабільність власної частоти.

При геометричних розмірах менш за один сантиметр власні частоти механічних коливань кварцових платівок бувають порядку Гц, що лежить у діапазоні частот широко застосовуваних у радіоелектронній апаратурі.

Але окрім перелічених вище властивостей кварц має ще і властивість п'єзоелектрика (хоча і не дуже сильно виражену). При механічній деформації на гранях кварцової платівки з'являється поверхневий заряд, який може бути знятий за допомогою електродів притулених до платівки (рис.3.2).

Тому при механічних коливаннях кварцового резонатора у колі електродів виникає змінний струм з частотою коливань кварцу.

Навпаки, прикладаючи до електродів напругу з частою власних коливань кварцової платівки, можна збудити в ній інтенсивні механічні коливання.

Таким чином кварцова платівка з притуленими до неї електродами стає електричним резонатором з винятково високою добротністю порядку , недосяжною для звичайних LRC - контурів. Еквівалентна схема такого резонатора зображена на рис.3.3.

Тут індуктивність L моделює механічну інерційність (масу) кварцової платівки, С - її пружність, а r - внутрішнє тертя. Звичайно L буває порядку кількох Генрі, ємність СпФ, а rОм.

Ємність С₀ являє собою ємність електродів і буває звичайно порядку кількох пікофарад.

Легко впевнитись, що схема зображена на рис 3.3, має два резонанси: послідовний на частоті і паралельний на частоті .

Залежність реактивного опору між точками «аа» від частоти (при нехтуванні активним опором) зображена на рис.3.4. Як видно, на частоті нижче та вище провідність ємнісна і тільки на ділянці від до вона має індуктивний характер і різко змінюється від нуля до нескінченості.

При цей частотний інтервал є дуже вузьким і тому крутість зміни ефективної індуктивності зі зміною частоти є дуже великою. А висока теплова стабільність кварцу забезпечує малі зміни зі зміною температури.

4. 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 Ставити конденсатор С в контур необов'язково. Роль цієї ємності може відігравати і вихідна ємність транзистора. .

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

Як впливає інерційність транзистора на частоту самозбудження автогенератора?

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

Яка основні причини нестабільності частоти автогенератора?

Якими засобами можна поліпшити стабільність частоти, не вдаючись до застосування кварцу ?

Чому висока добротність коливного контуру забезпечує кращу стабільність частоти автогенератора?

Які саме властивості роблять кварцову пластинку ідеальним високочастотним резонатором? Які (за порядком величини) еквівалентні LRC-параметри кварцового резонатора?

Як впливає на властивості кварцового резонатора ємність електродів С₀ ? В якому інтервалі частот може працювати автогенератор, зображений на рис.3.5?

Який за знаком реактивний опір кварцу на цій частоті?

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

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

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

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

Задачі до розділу

У автогенераторі параметри контуру L = 64 мкГ; C = 100 пФ; Q₀ =50;. На скільки зміниться частота його коливань, якщо врахувати, що інерційність транзистора становить = 2,810^-8 с?

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?

Еквівалентні електричні параметри кварцового кристалу L = 10 Г; C = 310^-3 пФ; r = 10³ Ом. Визначте його власну частоту та добротність.

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

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