Стабилизация частоты генераторов

Частота колебаний автогенератора определяется его режимом работы и параметрами контура. В процессе работы генератор подвергается различным воздействиям (изменениям температуры и напряжения, влиянию других усилительных каскадов), вызы­вающим изменение частоты. Уменьшение влияния этих факторов достигается параметрической и кварцевой стабилизациями.

Параметрическая стабилизация частоты достигается подбором элементов схемы (конденсаторов, катушек индуктивности, резисто­ров, транзисторов и др.), параметры которых в процессе работы изменяются мало. Температурные влияния уменьшают, применяя термическую герметизацию контуров генераторов в специальных термостатах, используя конденсаторы с отрицательным ТКЕ, ком­пенсирующие увеличение емкости других элементов схемы. Влия­ние колебаний питающих напряжений снижают, применяя стаби­лизаторы напряжения и тока. Электромагнитные влияния ослабля­ют, рационально размещая элементы схемы и экранируя их.

Кварцевая стабилизация является наиболее эффективным спо­собом повышения устойчивости частоты генераторов. Она основа­на на применении в схемах кварцевых пластинок с сильно выра­женным пьезоэлектрическим эффектом. Если к пластине кварца приложить переменное напряжение (поместить ее в электрическое поле ВЧ), то она испытывает периодические механические дефор­мации, т. е. сжимается и разжимается, что в свою очередь вызы­вает появление электрических зарядов на ее гранях. В результате в цепи (между входными зажимами) течет переменный ток. Этот ток имеет две составляющие I_С и I_КВ. Реактивный ток I_С проходит через емкость, образованную металлическими пластинами кварцедержателя. Ток кварца I_КВ обусловлен наличием пьезоэффекта и зависит от частоты приложенного напряжения. Когда частота подведенного переменного напряжения совпадает с собственной частотой механических колебаний кварца, наступает резонанс, при котором амплитуда колебаний будет максимальной. Пьезоэлек­трический ток будет наибольшим, а его фаза совпадает с фазой приложенного напряжения. Поэтому вблизи резонансных частот кварцевую пластину можно представить в виде последовательного контура с сосредоточенными постоянными L_KC_Kr_K (рис. 22.14, а) и параллельно подключенной к нему статической емкости кварцедержателя С₀ (рис. 22.14,б). Практически емкость кварцедержателя С₀ в сотни раз больше эквивалентной емкости кварца С_К, поэтому собственная резонансная частота кварца как последова­тельного контура ω_1К=1/√L_КC_К близка к собственной частоте эквивалентного параллельного контура .

Поскольку С₀>>С_К, то частота параллельного резонанса ω_2К отличается от частоты последовательного резонанса ω_1К незначи­тельно. Относительный разнос частот составляет

.

На рис. 22.14, вигизображена зависимость реактивного х_Ки полного z_Kсопротивлений кварца от частоты (без учета активных потерь в кварце). Из графиков следует, что при, ω_2К > ω> ω_1Ксо­противление кварца носит индуктивный, а при ω < ω_1Ки ω>ω_2К — емкостный характер.

Стабильность частоты автоколебаний в зависимости от измене­ний емкости С_К и С₀ характеризуется равенствами:

,

из которых следует, что изменение емкости С ₀ в С₀/С_К раз меньше влияет на частоту, чем изменение емкости С_К.Практически С₀/С_К≈10²-10⁴, поэтому изменение внешней емкости схемы квар­цевого автогенератора, подключенной параллельно С₀, слабо влия­ет на частоту автоколебаний.

Добротность кварцевого резонатора на частоте последователь­ного резонанса

Где - характеристическое сопротивление кварца.

Благодаря большому значению L_Kи малому С_К величины ρ_К и Q_K достигают значений, во много раз превышающих их величины в обычных электрических контурах, что обеспечивает малое зату­хание и очень высокую стабильность резонансной частоты квар­цевого контура.

Автоколебания в кварцевом автогенераторе возможны только на частотах вблизи частоты ω_1К или ω_2К, где сопротивление квар­ца х_Кносит индуктивный характер (рис. 22.14, в).На частотах, соответствующих емкостному характеру сопротивления, кварц не возбуждается. Наибольшую добротность имеют кварцы, воз­бужденные на 5-й — 7-й механических гармониках.

Электрические параметры кварцевого резонатора (частота последовательного ω_1К и параллельного ω_2К резонансов, доброт­ность Q_K, температурный коэффициент частоты ТКЧ, предельно допустимая мощность рассеивания Р_К) определяются геометриче­скими размерами, типом среза пластин и видом колебаний. Для различных видов среза значение собственной частоты кварца ко­леблется в пределах f₀=l,6/d÷3,6/d (МГц), где d — толщина пла­стины (мм). Например, для пластины х— среза и колебаний по толщине (вдоль оси_х) собственная частота равна 2,836/d

Рис. 22.14. Схемы и характеристики кварцевых резонаторов