ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Область техники
Полезная модель относится к радиотехническим устройствам стабилизации частоты. Область применения - радиоаппаратура и приборы хранения времени, в первую очередь - с автономным питанием, где важно сокращение энергопотребления.
Уровень техники
Известен пьезоэлектрический генератор по емкостной трехточечной схеме, в котором двухполюсный пьезоэлектрический резонатор включен между входом и выходом инвертирующего усилителя, соединенными с общей шиной через емкостные элементы, чаще всего - конденсаторы. Такой генератор с усилителем на вакуумной радиолампе изобретен Пирсом
(G.W.Pierce, патент США 1789496, приоритет от 25.02.1924 г.). В его генераторе двухполюсный кварцевый резонатор включен между анодом (выходом усилителя) и сеткой (входом усилителя) радиолампы. Емкостным элементом, соединяющим вход усилителя с общей шиной, является емкость сетка - катод лампы и емкость монтажа, а емкостным элементом, соединяющим выход усилителя с общей шиной - параллельный LC колебательный контур, резонансная частота которого ниже рабочей частоты генератора. С развитием полупроводниковой техники появились многочисленные варианты пьезоэлектрических генераторов, выполненных по той же структуре с однокаскадными и многокаскадными усилителями на биполярных и полевых транзисторах, например, генератор, описанный в заявке ФРГ № 2343386 от 28.08.73 г.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является кварцевый генератор по патенту США 3664118, приоритет от 09.09.70 г., п. 18 формулы изобретения, фиг. 10. В этом генераторе усилитель выполнен на КМОП инверторе, между входом и выходом которого включён двухполюсный кварцевый резонатор параллельно с резистором смещения, который обеспечивает режим линейного усиления КМОП инвертора непосредственно после подачи питания, что необходимо для возникновения колебаний. Генератор при малом числе элементов, простоте и дешевизне дает ограниченный с двух сторон выходной сигнал, уровни ограничения приблизительно равны потенциалам источника питания, что обеспечивает совместимость
генератора с КМОП микросхемами (например, со входом делителя частоты для наручных кварцевых часов).
Сравнительно низкая крутизна прямой передачи сигнала и высокая выходная проводимость входящих в состав КМОП инвертора полевых транзисторов ограничивают частотный диапазон генератора, снижают стабильность частоты и затрудняют его самовозбуждение с ростом динамического сопротивления резонаторов.
Сущность полезной модели
Заявляемая полезная модель направлена на расширение частотного диапазона генератора в сторону высоких частот, повышение стабильности частоты генератора и улучшение условий самовозбуждения при малом потреблении тока от источника питания благодаря повышению крутизны и выходного сопротивления усилителя, входящего в состав генератора.
Поставленная задача решена путем выполнения входящего в состав генератора усилителя на комплементарной паре биполярных транзисторов. Два транзистора, один из которых п-р-п, а второй р-п-р типа, присоединены эмиттерами к полюсам источника питания, база каждого из них через отдельный резистор подключена к его коллектору, а коллекторы соединены между собой непосредственно или через два дополнительных резистора, служащих для подавления паразитных высокочастотных колебаний, что требуется обычно при использовании транзисторов с граничной частотой усиления около 500 МГц и выше. Точка соединения коллекторов или включённых между коллекторами дополнительных резисторов является выходом инвертирующего усилителя. Его входом служат соединённые между собой по переменному току конденсатором базы транзисторов. Пьезоэлектрический (например, кварцевый) резонатор включен между входом и выходом инвертирующего усилителя, которые соединены с общей шиной конденсаторами. При необходимости подстройки частоты последовательно с пьезоэлектрическим резонатором могут быть включены элементы подстройкидополнительный конденсатор или катушка индуктивности. Между выходом усилителя и соединяющим его с общей шиной конденсатором может быть дополнительно включён резистор или конденсатор.
Заявляемая полезная модель отличается от прототипа выполнением усилителя на комплементарной паре биполярных, а не полевых транзисторов, наличием отдельного резистора смещения между базой и коллектором каждого транзистора и соединяющего базы транзисторов конденсатора. Крутизна и выходное сопротивление усилителя, входящего в состав заявляемого генератора, оказываются больше чем у аналогов благодаря тому, что значения этих параметров при одинаковом токе у биполярных транзисторов примерно на порядок выше, чем у полевых.
Па чертежах Фиг.1 - Фиг.З приведена электрическая схема заявляемого генератора.
Сведения, подтверждаюшие возможность осуществления полезной модели.
Усилитель 1 генератора выполнен на комплементарной паре биполярных транзисторов 2 и 3. Транзистор 2 п-р-п типа подключен эмиттером к общей шине, соединенной с отрицательным полюсом источника питания. Транзистор 3 р-п-р типа подключен эмиттером к положительному полюсу источника питания. Между коллектором и базой транзистора 2 включен резистор 4, между коллектором и базой транзистора 3 - резистор 5. Базы транзисторов соединены между собой конденсатором 6, а эмиттеры соединены между собой конденсатором 7. Коллекторы транзисторов соединены между собой непосредственно или через два дополнительных резистора 8 и 9. Выход усилителя 1 - точка соединения коллекторов или соединяющих коллекторы дополнительных резисторов - соединен с общей шиной конденсатором 10 (Фиг.1). Вход усилителя 1 - соединенные между собой по переменному току конденсатором 6 базы транзисторов - соединен с общей шиной конденсатором 11. Пьезоэлектрический резонатор 12 включен между входом и выходом усилителя 1. При необходимости последовательно с пьезоэлектрическим резонатором может быть включен элемент подстройки частоты - дополнительный конденсатор, катушка индуктивности и т.д.
Между выходом усилителя 1 и конденсатором 10 может быть дополнительно включён резистор 13 (Фиг.2) или конденсатор 14 (Фиг.З).
Непосредственно после подачи питания до возникновения колебаний существенной амплитуды потенциал точки соединения коллекторов может быть любым в пределах приблизительно от напряжения база - эмиттер
транзистора 2 до разности между напряжением нитания и напряжением эмиттер - база транзистора 3 (в зависимости от соотношения коэффициентов усиления транзисторов). Насыщение любого из транзисторов исключено, т.к. напряжение коллектор-эмиттер не может стать но модулю меньше напряжения база - эмиттер. Оба транзистора оказываются в активном режиме, что необходимо для самовозбуждения генератора. Когда нарастающие по амплитуде колебания достигают достаточной величины, возникает эффект детектирования сигнала переходами база - эмиттер, на конденсаторе 6 накапливается напряжение, запирающее транзисторы 2 и 3 на все большую долю периода колебаний, т.е. развивается явление отсечки коллекторного тока, потребляемый от источника ток уменьшается, амплитуда колебаний устанавливается. Для режима установившихся колебаний характерно поочередное отпирание транзисторов на некоторую долю периода в районе максимального и минимального пиковых значений сигнала.
Форма выходного сигнала генератора по схеме Фиг. 1 близка к синусоидальной, небольшие искажения присутствуют в районе пиковых значений. Максимальный уровень близок к напряжению питания, минимальный близок к нулю.
Введение между выходом усилителя 1 и конденсатором 10 дополнительного резистора 13 (Фиг.2), имеющего соответствующее сопротивление, позволяет получить выходной сигнал прямоугольной формы (меандр), с уровнями, близкими к нулю и к напряжению питания. При недостаточном
сопротивлении резистора 13 фронты импульсов удлиняются, а вместо плоских частей появляются скруглённые. По мере уменьшения сопротивления форма сигнала постепенно стремится к синусоидальной, как в схеме Фиг.1. При слишком большом сопротивлении резистора 13 ухудшаются условия самовозбуждения генератора, колебания становятся неустойчивыми и могут вообще не возникать.
Введение между выходом усилителя 1 и конденсатором 10 дополнительного конденсатора 14 (Фиг.З) позволяет понизить рассеиваемую на пьезоэлектрическом резонаторе мош,ность (что способствует повышению долговременной стабильности частоты генератора) при форме и уровнях выходного сигнала примерно таких же, как у генератора по схеме Фиг. 1.
Благодаря тому, что при одинаковом потребляемом токе крутизна и выходное сопротивление биполярных транзисторов приблизительно на порядок превышают аналогичные параметры полевых транзисторов, заявляемый генератор способен работать в более широком диапазоне частот и при меньшем потребляемом токе, обеспечивая более высокую стабильность частоты по сравнению с генератором на КМОП инверторе.
Заявляемый генератор удобен для изготовления по гибриднопленочной технологии, а также на дискретных элементах.