Стабілізація частоти LС - генераторів

Суттєвим недоліком LС – генераторів є залежність частоти генеруємих коливань від зміни температури і режиму роботи, механічних дій на автогенератор, коливань напруги та інших дестабілізуючих факторів. Відхилення частоти коливань від допустимого значення може призвести до того, що деякі електронні пристрої, які працюють на фіксованій частоті (вибірковий підсилювач, фазоінвертор та ін), перестануть працювати або будуть працювати з великими похибками.

Дія дестабілізуючих факторів на нестабільність частоти проявляється в зміні ємностей конденсаторів і індуктивних котушок коливальних контурів. Це пояснюється тим, що частоту коливань визначають не абсолютні значення ємностей конденсаторів і індуктивностей котушок контуру, а їх еквівалентні значення, включаючи різні паразитні ємності і індуктивності, значення яких залежать від температури, механічних дій, впливу зовнішніх електромагнітних полів і т.д.

Слід також відмітити, що на нестабільність частоти, викликану зміною температури, сильно впливають зміни параметрів транзисторів. Для зменшення нестабільності частоти використовують різні способи її стабілізації. Розрізняють параметричну і кварцову стабілізацію частоти.

Параметрична стабілізація частоти заключається в послабленні впливу зовнішніх факторів на частоту коливань, що генеруються, а також в підборі елементів генератора, які забезпечують мінімальні зміни частоти. Перше виражається в тому, що контур екранують для усунення дії зовнішніх електромагнітних полів або застосовують масивні корпуси (шасі) для зниження впливу механічних ударів і вібрації. Другу заключається в одночасному ввімкненні в генератор конденсаторів ємності, що зменшує вплив змін температури. Параметрична стабілізація частоти дозволяє знизити нестабільність частоти до 10^-5.

Кварцова стабілізація частити заключається в застосуванні кварцових резонаторів, що дає дуже низьку нестабільність частоти, зазвичай біля 10^-7. Кварцовий резонатор являє собою тонку пластину мінералу (кварцу або турмаліну) прямокутної або круглої форми, встановлену в кварцотримач. Кварц, як відомо, володіє п’єзоелектричним ефектом.

Якщо кварцову пластинку стиснути або розтягнути, то на її протилежних гранях з’являються рівні за величиною, але різні за знаком електричні заряди. Величина їх пропорційна тиску, а знаки залежать від направлення сили тиску. Це явище носить назву прямого п’єзоелектричного ефекту. Якщо ж до граней пластинки прикласти електричну напругу, то пластинка буде стискатись або розтягуватись в залежності від полярності прикладеної напруги. Це явище носить назву зворотного п’єзоелектричного ефекту.

Цінною властивістю кварцу є дуже висока стабільність частоти механічних коливань, яка визначається геометричними параметрами кварцової пластинки і напрямом деформації.

Таким чином, кристал кварцу (пластинка) являє собою електромеханічну систему, яка має резонансні властивості. В залежності від геометричних розмірів і орієнтації зрізу резонансні властивості кожної пластинки строго індивідуальні і лежать в межах від декількох десятків кілогерц до декількох десятків мегагерц.

Кварцовий резонатор еквівалентний електричному коливальному контуру. Еквівалентна схема кварцового резонатора зображена на рис.3.2.4, на рис. 3.2.5 представлена одна із можливих схем кварцового автогенератора. Основна вимога до такого автогенератору – генерування коливань лише на частоті f_кв, яка визначається кварцем. Це означає, що в генераторі не повинні виникати коливання на інших частотах і що генерація повинна зриватись при видаленні кварцу із схеми. Однак підключати кварц безпосередньо паралельно тунельному діоду не можна, оскільки резонансний опір кварцу в більшості випадків менший величини . В схемі, наведеної на рис3.2.5, на всіх частотах, крім частоти послідовного резонансу кварцу, загальний опір втрат такий, умова самозбудження не виконується.

L

С_кв G C

С₀ R1

r_кв VD

+

L_кв E R2 R3

-

Рис. 3.2.4. Еквівалентна схема Рис. 3.2.5. Схема кварцового автогенератора

кварцового резонатора на тунельному діоді

На частоті послідовногорезонансу кварцу його активний опір зменшується настільки, що резистори R2 i R3 стають ввімкненими паралельно. Загальний опір втрат в контурі при цьому зменшується, внаслідок чого будуть виконуватися умови самозбудження і схема почне генерувати коливання. Таким чином, генерація можлива лише на одній строго фіксованій частоті, яка дорівнює частоті власних коливань кварцу. Зрозуміло, що стабілізація частоти за допомогою кварцу важчає, якщо в процесі роботи вимагається перебудовувати частоту генеруємих коливань. В цьому випадку потрібно мати стільки кварцових пластин, скільки частот необхідно стабілізувати. Крім кварцу для стабілізації частоти служать пластинки турмаліну, однак цей мінерал дорожчий кварцу і тому застосовується рідко.

В інтегральних мікросхемах розміри кварцової пластини не повинні перевищувати розмірів, які відповідають частотам порядку 20 МГц, тому на більш високих частотах використовують роботу генератора на гармоніках по частоті вище основної. Такі генератори отримали назву дільників частоти.

Так як геометричні розміри кварцу збільшуються із зменшенням частоти, для стабілізації низької частоти використовують камертонні вібратори, виконані із спеціальних сплавів.