ГЕНЕРАТОР
GENERATOR

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для генерации электрических сигналов, стабилизированных электромеханическими резонаторами, в частности в пьезорезонансных датчиках.
Известен «Генератор» (см. патент РФ №2453983 от 18.03.2011 г., опубликован в Б.И. №17 от 20.06.2012), который содержит электромеханический резонатор и нейтрализующий конденсатор, первые выводы которых соединены между собой, дифференциальный каскад на МОП-транзисторах с одинаковым типом проводимости, выход которого соединен со входом усилителя, который выполнен на двух комплементарных парах МОП-транзисторов, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом усилителя, а выход соединен с общей точкой соединения первых выводов электромеханического резонатора и нейтрализующего конденсатора, при этом усилитель выполнен двухкаскадным, первый каскад которого охвачен отрицательной обратной связью, а в дифференциальный каскад дополнительно введены семь резисторов, первые выводы первого, второго, третьего и четвертого резисторов объединены между собой и подключены к плюсовой шине питания, а минусовая шина питания подключена к первым выводам пятого, шестого и седьмого резисторов, вторые выводы пятого и шестого резисторов подключены к затворам первого и второго МОП-транзисторов, ко вторым выводам четвертого и первого резисторов и ко вторым выводам электромеханического резонатора и нейтрализующего конденсатора соответственно, вторые выводы второго и третьего резисторов подключены к стокам МОП-транзисторов, истоки которых объединены между собой и подключены ко второму выводу седьмого резистора, выход усилителя является выходом устройства.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатками прототипа являются:
- нестабильность его частоты вследствие изменении постоянной составляющей напряжения возбуждения при изменении режима работы каскадов усилителя под действием внешних факторов эксплуатации (изменение напряжения питания, температуры окружающей среды, хранения и проч.);
- относительно значительное время выхода в рабочий режим по причине недостаточного коэффициента усиления.
Решаемой технической задачей является создание генератора с кварцевым частотозадающим резонатором с повышенной стабильностью частоты генерации и малым временем выхода в рабочий режим.
Достигаемым техническим результатом является исключение постоянной составляющей напряжения возбуждения на входе резонатора и увеличение коэффициента усиления усилителя.
Для достижения технического результата в генераторе, содержащем электромеханический резонатор и нейтрализующий конденсатор, первые выводы которых соединены между собой, дифференциальный каскад на двух МОП-транзисторах с одинаковым типом проводимости, выход которого через первый конденсатор соединен со входом усилителя, включающим в себя последовательно соединенные комплементарные пары МОП-транзисторов, выход усилителя является выходом устройства и соединен со входом фильтра нижних частот, при этом в дифференциальном каскаде стоки первого и второго МОП-транзисторов подключены через первый и второй резисторы к плюсовой шине питания и к первым выводам третьего и четвертого резисторов, вторые выводы которых соединены с затворами первого и второго МОП-транзисторов и через пятый и шестой резисторы подключены к минусовой шине питания и первому выводу седьмого резистора, второй вывод которого соединен с истоками первого и второго МОП-транзисторов, затворы которых соединены со вторыми выводами нейтрализующего конденсатора и электромеханического резонатора соответственно, новым является то, что в усилитель дополнительно введены две комплементарные пары, соединенные с имеющимися последовательно, причем выход последней из которых через восьмой резистор соединен с выходом предыдущей комплементарной пары и через последовательно соединенные девятый и десятый резисторы соединен со входом первой комплементарной пары, выход которой соединен с выходом последующей комплементарной пары через одиннадцатый резистор, при этом общая точка соединения девятого и десятого резисторов через второй конденсатор подключена к минусовой шине питания, выход фильтра нижних частот соединен через дополнительно введенный третий конденсатор с общей точкой соединения первых выводов электромеханического резонатора и нейтрализующего конденсатора.
Введение в генератор конденсатора и дополнительных комплементарных пар МОП-транзисторов в усилитель позволяет исключить постоянную составляющую напряжения возбуждения на входе резонатора и увеличить коэффициент усиления усилителя в заявляемом генераторе. Выходное напряжение генератора является входным напряжением фильтра нижних частот, а напряжение возбуждения формируется на третьем конденсаторе и подается на частотозадающий резонатор. Фильтр нижних частот настраивается так, чтобы отношение первой и третьей гармоник на его выходе было максимальным.
На фигуре 1 представлена принципиальная схема заявляемого устройства.
На фигуре 2 представлена эквивалентная схема кварцевого резонатора.
На фигуре 3 показана зависимость передаточной характеристики полевого транзистора от температуры.
На фигуре 4 изображена эпюра напряжения сигнала на входе фильтра нижних частот.
На фигуре 5 представлен спектр сигнала на входе фильтра нижних частот.
На фигуре 6 изображена эпюра напряжения возбуждения заявляемого генератора.
Генератор (см. фиг.1) содержит электромеханический резонатор 1 и нейтрализующий конденсатор 2, первые выводы которых соединены между собой, дифференциальный каскад 3 на двух n-канальных МОП-транзисторах 4 и 5, выход которого через конденсатор 6 соединен со входом усилителя 7, включающим в себя последовательно соединенные комплементарные пары МОП-транзисторов 8, 9, при этом выход усилителя 7 является выходом устройства и соединен со входом фильтра нижних частот 10, при этом в дифференциальном каскаде 3 стоки n-канальных МОП-транзисторов 4 и 5 подключены через 11 и 12 резисторы к плюсовой шине питания 13 и первым выводам 14 и 15 резисторов, вторые выводы которых соединены с затворами 4 и 5 n-канальных МОП-транзисторов и через 16 и 17 резисторы подключены к минусовой шине питания 18 и первому выводу резистора 19, второй вывод которого соединен с истоками 4 и 5 n-канальных МОП-транзисторов, затворы которых соединены со вторыми выводами нейтрализующего конденсатора 2 и электромеханического резонатора 1 соответственно, в усилитель 7 дополнительно введены две комплементарные пары МОП-транзисторов 20 и 21, соединенные с имеющимися комплементарными парами 8 и 9 последовательно, причем выход 21 комплементарной пары через резистор 22 соединен с выходом комплементарной пары МОП-транзисторов 20 и через последовательно соединенные резисторы 23, 24 соединен со входом комплементарной пары 8, выход которой соединен с выходом комплементарной пары МОП-транзисторов 9 через резистор 25, при этом общая точка соединения резисторов 23, 24 через конденсатор 26 подключена к минусовой шине питания 18, при этом истоки p-канальных МОП-транзисторов, входящих в состав комплементарных пар 8, 9, 20, 21, подключены к плюсовой шине питания 13, а истоки n-канальных МОП-транзисторов, входящих в состав комплементарных пар 8, 9, 20, 21, подключены к минусовой шине питания 18, выход фильтра нижних частот 10 соединен через конденсатор 27 с общей точкой соединения первых выводов электромеханического резонатора 1 и нейтрализующего конденсатора 2.
Выход дифференциального каскада 3, точка объединения второго вывода резистора 12 и стока n-канального МОП-транзистора 5, подключен к первому выводу конденсатора 6, второй вывод которого подключен к входу усилителя 7, конденсатор 6 используется для гальванической развязки входа усилителя 7 от выходных цепей дифференциального каскада 3. Фильтр нижних частот 10 состоит из двух последовательно соединенных интегрирующих RC-цепочек: 28-29, 30-31.
Устройство работает следующим образом. Дифференциальный каскад 3 представляет собой усилитель, построенный из двух симметричных плеч, каждое из которых представляет собой самостоятельный усилительный каскад. Усилители связаны между собой истоками транзисторов 4, 5 и резистором 19. При полной симметрии все параметры правой и левой частей дифференциального каскада должны быть равны между собой.
DZ
Дифференциальный каскад 3 может быть рассчитан аналитическим или графоаналитическим методом. При этом ток рабочей точки рекомендуется выбирать равным I (см. фиг.3). Именно эта величина тока транзистора является наиболее целесообразной для транзисторов 4, 5 дифференциального каскада 3, так как дрейф рабочих точек мало зависит от неточности подбора идентичной пары полевых транзисторов 4, 5. Кроме того, при расчете дифференциального каскада 3 необходимо добиться максимального значения коэффициента усиления полезного (парафазного или дифференциального) сигнала.
QZ
Через кварцевый резонатор 1 протекает ток I, определяемый суммой двух составляющих:
IN
где U - переменное входное напряжение;
K
Z - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 5 (QZ);
IN
R - входное сопротивление дифференциального каскада;
K
K
K
R, L, C - эквивалентные параметры кварцевого резонатора (см. фиг.2).
0
Составляющая тока кварцевого резонатора 1, обусловленная его статической емкостью С (см. фиг.2), искажает АЧХ и ФЧХ резонатора и, как следствие, уменьшает реальную добротность и крутизну фазочастотной характеристики резонатора и, соответственно, ухудшает стабильность частоты генератора.
Компенсация составляющей тока статической емкости кварцевого резонатора 1 аналогична прототипу и осуществляется за счет емкостного тока нейтрализующего конденсатора 2.
Значение емкости нейтрализующего конденсатора 2 выбирается из соотношения:
На практике С0 очень малая величина (доли пФ), поэтому
C2
IN
,
, X>>R
Следовательно, выражения (6), (7), (10) имеют вид:
В силу особенности дифференциального каскада 3 при выполнении условий (1), (2), (3), (4), (12), (13), (14), (15) синфазные токи статической емкости кварцевого резонатора 1 и нейтрализующего конденсатора 2 компенсируют друг друга (передаются на выход дифференциального каскада 3 со значительным ослаблением).
Коэффициент передачи участка «первый вывод кварцевого резонатора 1 - вход дифференциального каскада 3» равен:
Коэффициент усиления дифференциального сигнала равен:
где
- крутизна транзистора,
- дифференциальное выходное сопротивление.
BX
ВЫХ
4
В усилителе 7, согласно фигуре 1, рабочая точка устанавливается автоматически, что обуславливает устойчивость работы усилителя. Рабочая точка при таком включении лежит на пересечении передаточной характеристики комплементарной пары МОП-транзисторов 8 с прямой U=U. Ввиду высокого входного сопротивления транзисторов структуры МОП положение рабочей точки не зависит от сопротивления резисторов 23 и 24 при изменении его в пределах от сотен Ом до нескольких десятков МОм. Значение коэффициента усиления комплементарных пар 8, 9 МОП-транзисторов не менее 20. Дополнительно введенные комплементарные пары 20, 21 имеют коэффициент усиления, также равный 20, и необходимы для увеличения общего коэффициента усиления усилителя 7, который составляет 20.
На вход фильтра нижних частот 10 поступает от усилителя 7 прямоугольная последовательность импульсов, которую он преобразовывает в сигнал синусоидальной формы (или приближенный по форме к синусоиде).
И
Рассмотрим случай, когда прямоугольная последовательность импульсов характеризуется следующим выражением t=Т/2 (см. фиг.4).
Спектр такого сигнала представлен на фигуре 5. Из анализа диаграммы видно, что амплитуда четных (2, 4, 6 и т.д.) гармоник минимальна, и нет необходимости в их подавлении. Однако нечетные гармоники (с номерами 3, 5, 7 и т.д.) необходимо максимально подавить для того, чтобы осталась только первая гармоника. В этом случае сигнал на выходе фильтра нижних частот 10 будет иметь максимально приближенную к синусоиде форму.
Частоты гармоник характеризуются соотношением:
В качестве фильтра нижних частот рассмотрим фильтр, состоящий из двух звеньев простейших RC цепочек.
Коэффициент передачи фильтра нижних частот 10 согласно фигуре 1 определяется по формуле:
Для упрощения расчета схемы принято следующее допущение:
R28=R30=R,
C29=C31=C.
Тогда выражение для определения коэффициента передачи фильтра имеет вид:
П
Решая уравнение
, находим выражение для определения полосы пропускания ƒ фильтра.
Фильтр нижних частот 1 необходимо настроить так, чтобы отношение амплитуд гармоник 1 и 3 после прохождения фильтра было максимальным.
Изложенное выше поясняется графиком, представленным на фигуре 6, где изображена осциллограмма напряжения возбуждения заявляемого генератора с использованием фильтра нижних частот 11, согласно предложенной настройке, коэффициент передачи которого на частоте резонатора составит:
Для обеспечения устойчивой работы генератора необходимо выполнение двух условий:
1) условие баланса амплитуд, которое заключается в том, что на частоте собственных колебаний резонатора должно выполняться соотношение
. В этом случае амплитуда колебаний стремится возрастать до тех пор, пока усилитель 7 не попадает в нелинейную область, где наступает ограничение амплитуды;
2) условие баланса фаз, которое заключается в том, что автоколебания в замкнутом контуре возникают при условии, что коэффициент передачи разомкнутой системы является действительной величиной, т.е. суммарный фазовый сдвиг дифференциального каскада 3, усилителя 7, фильтра нижних частот 10 и резонатора 1 равен или кратен 2π. В этом случае усилитель 7 на частоте автоколебаний охвачен положительной обратной связью.
Σ
где К - суммарный коэффициент передачи;
i
n
K, K - коэффициенты передачи i-го и n-го звеньев в контуре положительной обратной связи соответственно;
Σ
φ - суммарный фазовый сдвиг;
i
φ - фазовый сдвиг, вносимый i-м звеном в контуре обратной связи на частоте генерации.
В заявляемом генераторе условно можно выделить три звена, определяющих суммарный коэффициент передачи и суммарный фазовый сдвиг.
1
IN
Д
IN
Д
1
Первое звено образовано кварцевым резонатором 1 и дифференциальным каскадом 3, его коэффициент передачи на резонансной частоте кварцевого резонатора 1 определяется произведением выражений (16), (17) и составляет К=K·К=0,5 (K=0,025; К=20), а фазовый сдвиг φ близок к значению, равному π (180°).
У
2
Вторым звеном является усилитель 7, его коэффициент передачи зависит от выбранного схемотехнического варианта. В варианте, согласно фигуре 1, коэффициент передачи соответствует выражению (18) К=160000, а фазовый сдвиг φ близок к значению, равному 0 (360°).
3
ФНЧ
3
Третьим звеном является фильтр нижних частот 10, его коэффициент передачи на резонансной частоте кварцевого резонатора 1 определяется выражением (24) К=К=0,3, а фазовый сдвиг φ близок к значению, равному -110° (250°).
Σ
В заявляемом генераторе, согласно фигуре 1, при указанных выше значениях коэффициента передачи и фазового сдвига каждого из звеньев, значение суммарного коэффициента передачи в режиме малого сигнала на частоте, равной резонансной частоте резонатора 1, будет составлять K=24000, что обеспечивает первое условие (32) - условие «баланса амплитуд». Опережения по фазе, создаваемые фильтром нижних частот 10, компенсируются за счет выбора соответствующего значения емкости разделительного конденсатора 6. При этом выполняется условие «баланса фаз». Таким образом, выполнение условий (25) обеспечивает устойчивую генерацию на частоте, равной резонансной частоте резонатора 1 после подачи на генератор напряжения питания.
Процесс установления колебаний генератора начинается с очень малых амплитуд с синусоидальной неискаженной формой выходных сигналов и заканчивается сигналом прямоугольной формы на выходе генератора. Однако выходной сигнал генератора поступает на фильтр нижних частот 10, после которого приобретает приближенную к синусоиде форму (фигура 6). Этот сигнал является напряжением возбуждения резонатора 1.
В заявляемом генераторе за счет введения конденсатора и дополнительных комплементарных пар МОП-транзисторов в усилитель позволило исключить постоянную составляющую напряжения возбуждения на входе резонатора и увеличить коэффициент усиления усилителя, повысить стабильность частоты генерации и уменьшить время выхода генератора в рабочий режим генерации.
Работоспособность предлагаемого технического решения экспериментально проверена и подтверждена испытаниями действующих макетов генератора с использованием частотозадающих резонаторов с частотами от 20 кГц до 200 кГц.