КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к радиоэлектронике, в частности к генераторам, и может быть использована в генераторах с кварцевыми резонаторами.
Известен кварцевый генератор из патента RU №2212091, содержащий дифференциальный операционный усилитель, кварцевый резонатор, мост Вина, управляемый напряжением аттенюатор, выпрямитель напряжения и корректирующий усилитель с дифференциальным входом.
Однако использование операционного усилителя на выходе не позволяет добиться низкого уровня фазового шума.
Известен кварцевый генератор в соответствии с патентом US №6741137, функциональная схема которого состоит из кварцевого резонатора, каскодного буферного усилителя, усилителя с общим затвором, выходного буферного усилителя и петли АРУ.
Известен также генератор с кварцевой стабилизацией частоты из патента RU №2216098, содержащий усилитель, средство детектирования выходного сигнала усилителя, средство емкостной связи выхода усилителя со средством детектирования, средство фильтрации нижних частот и контур обратной связи.
Однако оба данных генератора предназначены для интегрального исполнения.
-7
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является кварцевый генератор, построенный на основе схемы Батлера с общей базой и рассчитанный на частоту выходного сигнала 100 МГц [Matthys R.J. Crystal oscillator circuits. Revised edition. Malabar, Florida: Krieger Publishing Company, 1991. pp.149-150]. Данный генератор содержит узел генератора и узел усилителя. Узел генератора построен на основе биполярного транзистора, коллектор которого соединен с входом питания через первую катушку индуктивности, база - с первым резистором, соединенным с входом питания, и первым конденсатором, соединенным с общей точкой, эмиттер - со вторым резистором, соединенным с общей точкой. Кварцевый резонатор соединен с эмиттером биполярного транзистора и через второй конденсатор с общей точкой, а третий конденсатор - с коллектором биполярного транзистора, замыкая цепь обратной связи узла генератора. Коллектор биполярного транзистора соединен с выходом узла генератора, соединенным с узлом усилителя, построенном на биполярном транзисторе. Описанная схема без термостабилизации позволяет добиться относительную нестабильность частоты выходного сигнала порядка 3·10.
Однако в указанном источнике не уделено достаточно внимания схеме усилительных каскадов, позволяющих добиться уровня фазового шума выходного сигнала.
Задачей заявляемой полезной модели является создание генератора, обеспечивающего низкий уровень фазового шума выходного сигнала при постоянном уровне выходной мощности.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в кварцевом генераторе, содержащем узел генератора и узел усилителя, при этом узел генератора построен на основе биполярного транзистора, коллектор которого соединен с входом питания через первую катушку индуктивности, база - через первый резистор с входом питания и через параллельно включенные второй резистор и первый конденсатор с общей точкой, эмиттер - с третьим резистором, соединенным с общей точкой, и кварцевым резонатором, соединенным через второй конденсатор с общей точкой и через третий конденсатор с коллектором биполярного транзистора, параллельно кварцевому резонатору включена вторая катушка индуктивности, коллектор биполярного транзистора соединен с выходом узла генератора через четвертый конденсатор, узел усилителя построен на основе МОП-транзистора с двумя затворами, первый из которых соединен с выходом узла генератора, сток МОП-транзистора соединен со входом питания через третью катушку индуктивности и выходом узла усилителя через емкостный делитель, состоящий из шестого и седьмого конденсаторов, выход узла усилителя соединен через восьмой конденсатор с выходом генератора; и введен узел автоматической регулировки усиления, вход которого соединен с выходом узла усилителя и который состоит из детектора мощности и операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с входом узла автоматической регулировки усиления и детектором мощности, неинвертирующий вход - со входом питания, выход - со вторым затвором МОП-транзистора узла усилителя.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками входы питания узлов генератора, усилителя и автоматической регулировки усиления соединены с общей шиной питания, причем вход питания узла генератора соединен с шиной питания через последовательно соединенные четвертый и пятый резисторы и параллельно соединенные девятый, десятый и одиннадцатый конденсаторы; вход питания узла усилителя соединен с шиной питания через последовательно включенный шестой резистор и параллельно включенный двенадцатый конденсатор; вход питания узла автоматической регулировки усиления соединен с шиной питания через седьмой и восьмой резисторы, включенные в качестве делителя напряжения питания, и тринадцатый конденсатор, включенный параллельно восьмому резистору.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками восьмой резистор выполнен с перестраиваемым значением сопротивления.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками узел генератора дополнительно содержит последовательно включенные четырнадцатый и пятнадцатый конденсаторы, соединенные с коллектором биполярного транзистора.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками в узле генератора четырнадцатый конденсатор выполнен с перестраиваемым значением емкости.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками узел генератора дополнительно содержит девятый резистор, соединенный с базой биполярного транзистора.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками узел генератора дополнительно содержит десятый резистор, последовательно соединенный с кварцевым резонатором.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками детектор мощности состоит из диода, одиннадцатого и двенадцатого резисторов, при этом диод и одиннадцатый резистор соединены параллельно и подключены к инвертирующему входу операционного усилителя через двенадцатый резистор.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками в узел усилителя дополнительно введены тринадцатый резистор и пятнадцатый конденсатор, подключенные к истоку МОП-транзистора и соединенные между собой параллельно.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками узел. генератора дополнительно содержит десятый резистор, последовательно соединенный с кварцевым резонатором.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками детектор мощности состоит из диода, одиннадцатого и двенадцатого резисторов, при этом диод и одиннадцатый резистор соединены параллельно и подключены к инвертирующему входу операционного усилителя через двенадцатый резистор.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками в узел усилителя дополнительно введены тринадцатый резистор и пятнадцатый конденсатор, подключенные к истоку МОП-транзистора и соединенные между собой параллельно.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками в узел автоматической регулировки усиления дополнительно введены:
шестнадцатый конденсатор, соединяющий выход операционного усилителя с общей точкой, семнадцатый конденсатор, соединяющий инвертирующий вход операционного усилителя с его выходом, четырнадцатый резистор, соединяющий выход операционного усилителя со вторым затвором МОП-транзистора, и восемнадцатый конденсатор, включенный между вторым затвором МОП-транзистора и общей точкой.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в получении низкого уровня фазового шума выходного сигнала генератора при сохранении постоянным заданного значения выходной мощности.
В заявляемой полезной модели данный технический результат достигается за счет использования на выходе малошумящей схемы Батлера с общей базой узла усилителя на основе МОП-транзистора с двумя затворами, охваченного петлей автоматической регулировки усиления (АРУ). Поскольку узел генератора, построенный на биполярном транзисторе, имеет в цепи обратной связи высокодобротный кварцевый резонатор, амплитуда сигнала на его выходе меняется в достаточно большом диапазоне в зависимости от температуры окружающей среды и частоты выходного сигнала. Узел усилителя, построенный на МОП-транзисторе, использованном в качестве малошумящего усилителя и работающем в линейном режиме для внесения минимальных шумов в генератор, не компенсирует колебания амплитуды сигнала, а следовательно и мощности, на выходе узла генератора. Введение узла АРУ обеспечивает необходимую компенсацию по выходной мощности. На вход операционного усилителя, входящего в состав узла АРУ, поступает сигнал с детектора мощности. Операционный усилитель сравнивает этот сигнал с опорным и подает напряжение необходимого уровня на второй затвор МОП-транзистора, тем самым изменяя его коэффициент усиления. Таким образом, мощность сигнала на выходе усилителя остается постоянной при сохранении низкого уровня фазового шума.
Заявляемая полезная модель поясняется с помощью Фиг.1-2, на которых изображено:
на Фиг.1 - функциональная схема генератора;
на Фиг.2 - принципиальная схема генератора.
На Фиг.1, 2 позициями 1-44 обозначены:
1 - узел генератора;
2 - узел усилителя;
3 - узел автоматической регулировки усиления (АРУ);
4 - биполярный транзистор;
5 - первая катушка индуктивности;
6 - вторая катушка индуктивности;
7 - первый резистор;
8 - второй резистор;
9 - третий резистор;
10 - первый конденсатор;
11 - второй конденсатор;
12 - третий конденсатор;
13 - четвертый конденсатор;
14 - кварцевый резонатора;
15 - МОП-транзистор;
16 - третья катушка индуктивности;
17 - пятый конденсатор;
18 - шестой конденсатор;
19 - седьмой конденсатор;
20 - операционный усилитель;
21 - детектор мощности;
22 - четвертый резистор;
23 - пятый резистор;
24 - восьмой конденсатор;
25 - девятый конденсатор;
26 - десятый конденсатор;
27 - шестой резистор;
28 - одиннадцатый конденсатор;
29 - седьмой резистор;
30 - восьмой резистор;
31 - двенадцатый конденсатор;
32 - тринадцатый конденсатор;
33 - четырнадцатый конденсатор;
34 - девятый резистор;
35 - десятый резистор;
36 - тринадцатый резистор;
37 - пятнадцатый конденсатор;
38 - шестнадцатый конденсатор;
39 - семнадцатый конденсатор;
40 - восемнадцатый конденсатор;
41 - четырнадцатый резистор;
42 - диод;
43 - одиннадцатый резистор;
44 - двенадцатый резистор.
Кварцевый генератор состоит из соединенных узла генератора 1, узла усилителя 2 и узла АРУ 3. Узел генератора 1 включает биполярный транзистор 4, первую 5 и вторую 6 катушки индуктивности, первый 7, второй 8 и третий 9 резисторы, первый 10, второй 11, третий 12 и четвертый 13 конденсаторы и кварцевый резонатор 14. В узле генератора 1 коллектор биполярного транзистора 4 соединен через первую катушку индуктивности 5 с входом питания. База биполярного транзистора 4 соединена через первый резистор 7 с входом питания и через параллельно соединенные второй резистор 8 и первый конденсатор 10 с общей точкой. Эмиттер биполярного транзистора 4 соединен с кварцевым резонатором 14 и через третий резистор 9 с общей точкой. Кварцевый резонатор 14 соединен через второй конденсатор 11 с общей точкой и через третий конденсатор 12 с коллектором биполярного транзистора 4. Параллельно кварцевому резонатору 14 включена вторая катушка индуктивности 6. Коллектор биполярного транзистора 4 соединен с выходом узла генератора 1 через четвертый конденсатор 13. Выход узла генератора 1 соединен с первым входом узла усилителя 2. Узел усилителя 2 включает МОП-транзистор 15 с двумя затворами, третью катушку индуктивности 16, пятый 17, шестой 18 конденсаторы. Первый вход узла усилителя 2 соединен с первым затвором МОП-транзистора 15. Сток МОП-транзистора 15 соединен со входом питания через третью катушку индуктивности 16 и через емкостной делитель, состоящий из пятого 17 и шестого 18 конденсаторов, с выходом узла усилителя 2. Выход узла усилителя 2 соединен со входом узла автоматической регулировки усиления (АРУ) 3 и через седьмой конденсатор 19 - с ВЧ выходом генератора.
Узел АРУ 3 включает операционный усилитель 20 и детектор мощности 21. Вход узла АРУ 3 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 20 и детектором мощности 21. Неинвертирующий вход операционного усилителя 20 соединен со входом питания. Выход операционного усилителя 20 соединен со вторьм входом узла усилителя 2, соединенным в свою очередь со вторым затвором МОП-транзистора 15.
В частном случае исполнения кварцевого генератора могут дополнительно введены следующие элементы.
Входы питания узлов генератора 1, усилителя 2 и АРУ 3 могут быть соединены с общей шиной питания. В этом случае в узел генератора 1 дополнительно введены четвертый 22 и пятый 23 резисторы и восьмой 24, девятый 25 и десятый 26 конденсаторы. Вход питания узла генератора 1 соединен с шиной питания через последовательно соединенные четвертый 22 и пятый 23 резисторы и параллельно соединенные восьмой 24, девятый 25 и десятью 26 конденсаторы. В узел усилителя 2 дополнительно введены шестой резистор 27 и одиннадцатый конденсатор 28. Вход питания узла усилителя 2 соединен с шиной питания через последовательно включенный шестой резистор 27 и параллельно включенный одиннадцатый конденсатор 28. В узел АРУЗ дополнительно введены седьмой 29 и восьмой 30 резисторы и двенадцатый конденсатор 31. Вход питания узла АРУ 3 соединен с шиной питания через седьмой 29 и восьмой 30 резисторы, включенные в качестве делителя напряжения питания, и двенадцатый конденсатор 31, включенный параллельно восьмому резистору 30.
В узел генератора 1 могут быть дополнительно введены тринадцатый 32 и четырнадцатый 33 конденсаторы, девятый 34 и десятый 35 резисторы. Тринадцатый 32 и четырнадцатый 33 конденсаторы включены последовательно между коллектором биполярного транзистора 4 и общей точкой. Девятый резистор 34 подключен к базе биполярного транзистора 4. Десятый резистор 35 включен последовательно кварцевому резонатору 14.
В узел усилителя 2 могут быть дополнительно введены тринадцатый резистор 36 и пятнадцатый конденсатор 37, подключенные к истоку МОП-транзистора 15 и соединенные между собой параллельно.
В узел АРУ 3 дополнительно введены шестнадцатый 38, семнадцатый 39 и восемнадцатый 40 конденсаторы и четырнадцатый резистор 41. Шестнадцатый конденсатор 38 соединяет выход операционного усилителя 20 с общей точкой. Семнадцатый конденсатор 39 соединяет инвертирующий вход операционного усилителя 20 с его выходом. Четырнадцатый резистор 41 соединяет выход операционного усилителя 20 со вторым затвором МОП-транзистора 15 в узле усилителя 2. Восемнадцатый конденсатор 40 включен между вторым затвором МОП-транзистора 15 и общей точкой.
В частном случае исполнения детектор мощности 21 может быть выполнен на основе диода 42, одиннадцатого 43 и двенадцатого 44 резисторов. Диод 42 и одиннадцатый резистор 43 соединены параллельно и подключены к инвертирующему входу операционного усилителя 20 через двенадцатый резистор 44.
Кварцевый генератор работает следующим образом. Со входа питания узла генератора 1 напряжение питания поступает через первую катушку индуктивности 5 на коллектор биполярного транзистора 4. Первый 7 и второй 8 резисторы, образующие делитель напряжения, задают необходимое смещение напряжения на базе биполярного транзистора 4 и обеспечивают его оптимальную рабочую точку. Биполярный транзистор 4 включен по схеме Батлера с общей базой по переменному току за счет первого конденсатора 10. Кварцевый резонатор 14 через третий 11 и четвертый 12 конденсаторы включен в цепь обратной связи биполярного транзистора 4 и обеспечивает колебания на своей резонансной частоте. Третий резистор 9 обеспечивает необходимый режим возбуждения и работы узла генератора 1. Вторая катушка индуктивности 6 образует резонансный контур с паразитной емкостью кварцевого резонатора 14 и ограничивает возможность возбуждения генератора на побочных частотах. Через четвертый конденсатор 13, выполняющий функцию разделительного и обеспечивающий развязку по постоянной составляющей напряжения, сигнал поступает на первый вход узла усилителя 2. Сигнал с первого входа узла усилителя 2 поступает на первый затвор МОП-транзистора 15, на сток которого поступает напряжение питания через третью катушку индуктивности 16. МОП-транзистор 15 осуществляет усиление сигнала, поступающего на его первый затвор. Напряжение на втором затворе меняет коэффициент усиления МОП-транзистора 15. Сигнал со стока МОП-транзистора 15 через емкостной делитель, состоящий из пятого 17 и шестого 18 конденсаторов, поступает на выход узла усилителя 2, откуда, разветвляясь, поступает на вход узла АРУ 3 и через разделительный седьмой конденсатор 19 - на ВЧ выход генератора. На входе узла АРУ 3 сигнал детектируется на детекторе мощности 21, и его постоянная составляющая поступает на инвертирующий вход операционного усилителя 20. Опорное напряжение поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя 20. Операционный усилитель 20 сравнивает поступающие на его входы сигналы, формируя на своем выходе значение напряжения, которое является управляющим и поступает на второй затвор МОП-транзистора 15, замыкая петлю АРУ, которая стабилизирует мощность на выходе узла усилителя 2. Подбирая значения напряжения V3, можно получить уровень мощности любой величины в пределах от 1 до 50 мВт при напряжении питания 10 В.
В частном случае исполнения все входы питания узлов генератора], усилителя 2 и АРУ 3 могут быть соединены с общей шиной питания. Для этого к входу питания узла генератора 1 подключены восьмой 24, девятый 25 и десятый 26 конденсаторы, которые осуществляют фильтрацию питающего напряжения. Четвертый 22 и пятый 23 резисторы обеспечивают требуемое падение напряжения на коллекторе биполярного транзистора 4. Аналогичную функцию выполняют шестой резистор 27 и одиннадцатый конденсатор 28 в узле усилителя 2 и седьмой 29 и восьмой 30 резисторы и двенадцатый конденсатор 31 в узле АРУЗ. Выполненный перестраиваемым восьмой резистор 30 позволяет подстраивать опорное напряжение, поступающее на неинвертирующий вход операционного усилителя 20.
Дополнительно введенные в узел генератора 1 тринадцатый 32 и четырнадцатый 33 конденсаторы, дополняющие второй 11 и третий 12 конденсаторы, образуют с первой катушкой индуктивности 5 резонансный контур, настроенный на резонансную частоту кварцевого резонатора 14, повышая добротность узла генератора!. Тринадцатый конденсатор 32 может быть выполнен с перестраиваемым значением емкости, позволяя подстраивать резонансный контур на резонансную частоту кварцевого резонатора 14 и изменяя рабочую частоту генератора в небольших пределах.
В узел генератора 1 могут быть дополнительно введены девятый 34 и десятый 35 резисторы. Девятый резистор 34 ограничивает ток базы биполярного транзистора 4.
Десятый резистор 35 ограничивает мощность, рассеиваемую на кварцевом резонаторе 14.
В узле усилителя 2 параллельно соединенные тринадцатый резистор 36 и пятнадцатый конденсатор 37 стабилизируют работу МОП-транзистора 15.
В узле АРУ 3 ФНЧ, образованный шестнадцатым 38, семнадцатым 39 и восемнадцатым 40 конденсаторами и четырнадцатым резистором 41, предохраняет схему от самовозбуждения.
В детекторе мощности 21, выполненном на основе диода 42, одиннадцатого 43 и двенадцатого 44 резисторов, выпрямленный с помощью диода 42 сигнал поступает на инвертирующий вход операционного усилителя 20 через двенадцатый резистор 44. В качестве нагрузки диода 42 выступает одиннадцатый резистор 43.
Заявляемую схему можно применять в нетермостатируемых генераторах, обеспечивая при этом низкий уровень фазового шума и постоянство параметров генератора независимо от условий эксплуатации.