МАЛОШУМЯЩИЙ КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР С АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКОЙ УСИЛЕНИЯ
LOW-NOISE CRYSTAL OSCILLATOR WITH AUTOMATIC GAIN CONTROL

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к генераторам, и может быть использовано в генераторах с кварцевыми резонаторами.
Применение кварцевых резонаторов в качестве источника колебаний позволяет получить генератор с низким уровнем фазового шума в выходном сигнале, однако усилительные каскады, используемые в генераторе, добавляют нежелательные гармоники и повышают уровень фазового шума в спектре выходного сигнала. Одним из решений данной проблемы является уменьшение количества усилительных каскадов путем, например, введения петли автоматической регулировки усиления (АРУ).
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.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является высокочастотный генератор (патент US №4577165), состоящий из узла генератора, включающего кварцевый резонатор и биполярный транзистор в качестве усилительного элемента, узла усилителя мощности и петли АРУ, включающей детектор мощности и усилитель, осуществляющий необходимое смещение напряжения на входе узла усилителя мощности.
Однако из-за большого числа усилительных каскадов сложно получить в выходном сигнале данного генератора уровень фазового шума ниже -150 дБ при отстройке 10 КГц от несущей.
Задачей заявляемого изобретения является создание генератора, обеспечивающего низкий уровень фазового шума выходного сигнала при постоянном уровне выходной мощности.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в малошумящем кварцевом генераторе с автоматической регулировкой усиления, содержащем узел генератора, включающий кварцевый резонатор и биполярный транзистор, узел усилителя, соединенный с выходом узла генератора, и узел автоматической регулировки усиления, включающий операционный усилитель и детектор и соединяющий выход узла усилителя с его входом, при этом вход узла автоматической регулировки усиления соединен с детектором мощности и инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с выходом узла автоматической регулировки усиления; узел генератора дополнительно включает первый, второй, третий, четвертый и пятый конденсаторы, первую и вторую катушки индуктивности, первый, второй, третий и четвертый резисторы, при этом первый резистор, первый конденсатор и первая катушка соединены с коллектором биполярного транзистора, с базой которого соединены второй и третий резисторы и второй конденсатор, с эмиттером - кварцевый резонатор и четвертый резистор, вторая катушка индуктивности включена параллельно кварцевому резонатору, который соединен через разветвление с первым конденсатором и через второй конденсатор с коллектором биполярного транзистора, который через пятый конденсатор соединен с выходом узла генератора; узел усилителя включает МОП-транзистор, с первым затвором которого соединен выход узла генератора, со стоком - пятый резистор и емкостный делитель из шестого и седьмого конденсаторов, соединенный в свою очередь через восьмой конденсатор с выходом генератора и со входом узла автоматической регулировки усиления; выход которого соединен со вторым затвором МОП-транзистора.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками узел генератора дополнительно содержит последовательно включенные девятый и десятый конденсаторы, соединенные с коллектором биполярного транзистора.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками в узле генератора десятый конденсатор выполнен с перестраиваемым значением емкости.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками узел генератора дополнительно содержит шестой резистор, соединенный с базой биполярного транзистора.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками узел генератора дополнительно содержит седьмой резистор, последовательно соединенный с кварцевым резонатором.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками в узел усилителя дополнительно введена третья катушка индуктивности, соединенная со стоком МОП-транзистора.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками в узел автоматической регулировки усиления дополнительно введены восьмой и девятый резисторы, включенные в качестве делителя напряжения питания и соединенные с неинвертирующим входом операционного усилителя.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками девятый резистор выполнен с перестраиваемым значением сопротивления.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками детектор мощности состоит из диода, десятого и одиннадцатого резисторов, при этом диод и одиннадцатый резистор соединены параллельно и подключены к инвертирующему входу операционного усилителя через десятый резистор.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками к входу узла генератора дополнительно подключены последовательно двенадцатый резистор и параллельно одиннадцатый и двенадцатый конденсаторы.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками в узел усилителя соединенный с его входом питания дополнительно введен тринадцатый конденсатор.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками в узел усилителя дополнительно введены тринадцатый резистор и четырнадцатый 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 введен пятнадцатый конденсатор, включенный параллельно девятому резистору.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками в узел автоматической регулировки усиления дополнительно введены шестнадцатый конденсатор, соединенный со вторым затвором МОП-транзистора, семнадцатый конденсатор, соединяющий инвертирующий вход операционного усилителя со вторым затвором МОП-транзистора через четырнадцатый резистор, и восемнадцатый конденсатор, соединенный с выходом операционного усилителя.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в получении низкого уровня фазового шума выходного сигнала генератора при сохранении постоянным заданного значения выходной мощности. Данный технический результат достигается за счет совместного использования малошумящей схемы Батлера с общей базой, снабженной узлом усилителя на основе МОП-транзистора с двумя затворами, охваченного петлей 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.
Заявляемое изобретение 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 - четвертый резистор;
11 - первый конденсатор;
12 - второй конденсатор;
13 - третий конденсатор;
14 - четвертый конденсатор;
15 - пятый конденсатор;
16 - кварцевый резонатор;
17 - МОП-транзистор;
18 - пятый резистор;
19 - шестой конденсатор;
20 - седьмой конденсатор;
21 - восьмой конденсатор;
22 - операционный усилитель;
23 - детектор мощности;
24 - девятый конденсатор;
25 - десятый конденсатор;
26 - шестой резистор;
27 - седьмой резистор;
28 - восьмой резистор;
29 - девятый резистор;
30 - диод;
31 - десятый резистор;
32 - одиннадцатый резистор;
33 - двенадцатый резистор;
34 - одиннадцатый конденсатор;
35 - двенадцатый конденсатор;
36 - тринадцатый конденсатор;
37 - тринадцатый резистор;
38 - четырнадцатый конденсатор;
39 - пятнадцатый конденсатор;
40 - шестнадцатый конденсатор;
41 - четырнадцатый резистор;
42 - семнадцатый конденсатор;
43 - восемнадцатый конденсатор;
44 - третья катушка индуктивности.
Генератор состоит из соединенных узла генератора 1, узла усилителя 2 и узла АРУ 3. Вход узла генератора 1 соединен с шиной питания, выход - с первым входом узла усилителя 2, вход питания которого соединен с шиной питания. Выход узла усилителя 2 через разветвление соединен с ВЧ выходом генератора и входом узла АРУ 3, выход которого соединен со вторым входом узла усилителя 2. Узел генератора 1 включает биполярный транзистор 4, первую 5 и вторую 6 катушки индуктивности, первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 резисторы, первый 11, второй 12, третий 13, четвертый 14 и пятый 15 конденсаторы и кварцевый резонатор 16. В узле генератора 1 коллектор биполярного транзистора 4 соединен через первую катушку индуктивности 5, первый резистор 7 и параллельно включенный первый конденсатор 11 с шиной питания. С базой биполярного транзистора 4 соединены второй 8 и третий 9 резисторы и включенный параллельно третьему резистору 9 второй конденсатор 12. С эмиттером биполярного транзистора 4 соединен кварцевый резонатор 16, который соединен с четвертым конденсатором 14, соединенным с общей точкой, и третьим конденсатором 13, соединенным с коллектором биполярного транзистора 4, замыкая цепь его обратной связи. Параллельно кварцевому резонатору 16 включена вторая катушка индуктивности 6. Четвертый резистор 10 включен между эмиттером биполярного транзистора 4 и общей точкой. Между коллектором биполярного транзистора 4 и выходом узла генератора 1 включен пятый конденсатор 15. Выход узла генератора 1 соединен с первым входом узла усилителя 2. Узел усилителя 2 включает МОП-транзистор 17 с двумя затворами, пятый резистор 18, шестой 19, седьмой 20 и восьмой 21 конденсаторы. Первый вход узла усилителя 2 соединен с первым затвором МОП-транзистора 17. Сток МОП-транзистора 17 через пятый резистор 18 соединен с шиной питания и через емкостный делитель, состоящий из шестого 19 и седьмого 20 конденсаторов, - с выходом узла усилителя 2. Выход узла усилителя 2 через разветвление соединен с входом узла АРУ 3 и через восьмой конденсатор 21 соединен с ВЧ выходом генератора в целом. Узел АРУ 3 включает операционный усилитель 22 и детектор мощности 23. Вход узла АРУЗ соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 22 и детектором мощности 23. Выход операционного усилителя 22 соединен со вторым входом узла усилителя 2, соединенным со вторым затвором МОП-транзистора 17.
В частном случае исполнения детектор мощности 23 может быть выполнен на базе диода 30, десятого 31 и одиннадцатого 32 резисторов. Диод 30 и одиннадцатый резистор 32 соединены параллельно и включены между общей точкой и инвертирующим входом операционного усилителя 22 через десятый резистор 31.
В частных случаях исполнения в схему генератора, описанную выше, могут быть включены следующие элементы в соответствии с Фиг.2.
В узел генератора 1 могут быть дополнительно введены девятый 24 и десятый 25 конденсаторы и пятый 26 и шестой 27 резисторы. Девятый 24 и десятый 25 конденсаторы последовательно соединены и включены между коллектором биполярного транзистора 4 и общей точкой. Шестой резистор 26 соединен с базой биполярного транзистора 4. Седьмой резистор 27 последовательно соединен с кварцевым резонатором 16.
В узел усилителя 2 дополнительно введена третья катушка индуктивности 44 между пятым резистором 18 и стоком МОП-транзистора 17. Дополнительно введенные параллельно соединенные тринадцатый резистор 37 и четырнадцатый конденсатор 38 подключены между истоком МОП-транзистора 17 и общей точкой.
В узел АРУ 3 могут быть дополнительно введены восьмой 28 и девятый 29 резисторы, включенные в качестве делителя напряжения питания и соединенные с неинвертирующим входом операционного усилителя 22.
Кроме того в схему генератора могут быть дополнительно введены следующие фильтрующие элементы. На входе узла генератора 1 могут быть включены: двенадцатый резистор 33 последовательно и одиннадцатый 34 и двенадцатый 35 конденсаторы параллельно. В узел усилителя 2 может быть введен тринадцатый конденсатор 36, включенный между входом питания узла усилителя 2 и общей точкой. В узел АРУ 3 могут быть введены: в качестве фильтрующего элемента пятнадцатый конденсатор 39, включенный параллельно девятому резистору 29, и ФНЧ, образованный шестнадцатым 40, семнадцатым 42 и восемнадцатым 43 конденсаторами и четырнадцатым резистором 41 и подключенный к выходу операционного усилителя 22.
Генератор работает следующим образом.
Через RC-цепь, состоящую из первого резистора 7 и первого конденсатора 11 напряжение питания поступает через первую катушку индуктивности 5 на биполярный транзистор 4 в узле генератора 1. Биполярный транзистор 4 включен по схеме Батлера с общей базой по переменному току за счет второго конденсатора 12. Второй 8 и третий 9 резисторы, образующие делитель напряжения, задают необходимое смещение напряжения на базе биполярного транзистора 4 и обеспечивают его оптимальную рабочую точку. Кварцевый резонатор 16 через третий 13 и четвертый 14 конденсаторы включен в цепь обратной связи биполярного транзистора 4 и обеспечивает колебания на своей резонансной частоте. Четвертый резистор 10 обеспечивает необходимый режим возбуждения и работы узла генератора 1. Вторая катушка индуктивности 6 образует резонансный контур с паразитной емкостью кварцевого резонатора 16 и ограничивает возможность возбуждения генератора на побочных частотах. Через пятый конденсатор 15, 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 17, на сток которого поступает напряжение питания через пятый резистор 18. МОП-транзистор 17 осуществляет усиление сигнала, поступающего на его первый затвор. Напряжение на втором затворе меняет коэффициент усиления МОП-транзистора 17. Сигнал со стока МОП-транзистора 17 через емкостной делитель, состоящий из шестого 19 и седьмого 20 конденсаторов, поступает на выход узла усилителя 2, откуда, разветвляясь, поступает на вход узла АРУ 3 и через разделительный восьмой конденсатор 21 - на ВЧ выход генератора. На входе узла АРУ 3 сигнал детектируется на детекторе мощности 23, и его постоянная составляющая поступает на инвертирующий вход операционного усилителя 22. Опорное напряжение поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя 22. Операционный усилитель 22 сравнивает поступающие на его входы сигналы, формируя на своем выходе значение напряжения, которое является управляющим и, поступая на второй затвор МОП-транзистора 17, замыкает петлю АРУ, которая стабилизирует мощность на выходе узла усилителя 2. Подбирая значения опорного напряжения Uоп, можно получить уровень мощности любой величины в пределах от 1 до 50 мВт при напряжении питания 10 В.
Дополнительно введенные в узел генератора девятый 24 и десятый 25 конденсаторы, дополняющие третий 13 и четвертый 14 конденсаторы, образуют с первой катушкой индуктивности 5 резонансный контур, настроенный на резонансную частоту кварцевого резонатора 16, повышая добротность узла генератора 1. Десятый конденсатор 25 может быть выполнен с перестраиваемым значением емкости, позволяя подстраивать резонансный контур на резонансную частоту кварцевого резонатора 16 и изменяя рабочую частоту генератора в небольших пределах. В узле генератора 1 введенные двенадцатый резистор 33, одиннадцатый 34 и двенадцатый 35 конденсаторы осуществляют фильтрацию питающего напряжения.
В узел генератора 1 могут быть дополнительно введены шестой 26 и седьмой 27 резисторы. Шестой резистор 26 ограничивает ток базы биполярного транзистора 4. Седьмой резистор 27 ограничивает мощность, рассеиваемую на кварцевом резонаторе. В узле усилителя 2 третья катушка индуктивности 44, подключенная к стоку МОП-транзистора 17, совместно с емкостным делителем из шестого 19 и седьмого 20 конденсаторов образует резонансный контур для повышения коэффициента усиления на рабочей частоте. Тринадцатый конденсатор 36, дополнительно введенный в узел усилителя 2, осуществляет фильтрацию питающего напряжения. Параллельно соединенные тринадцатый резистор 37 и четырнадцатый конденсатор 38 стабилизируют работу МОП-транзистора 17.
Введение в узел АРУ 3 дополнительных восьмого 28 и девятого 29 резисторов, образующих делитель напряжения, позволяет обеспечить необходимое опорное напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя 22, используя напряжение питания генератора. Выполненный перестраиваемым девятый резистор 29 позволяет подстраивать опорное напряжение, поступающее на неинвертирующий вход операционного усилителя 22.
В узле АРУ 3 пятнадцатый конденсатор 39. включенный параллельно девятому резистору 29, осуществляет фильтрацию опорного напряжения, а ФНЧ, образованный шестнадцатым 40, семнадцатым 42 и восемнадцатым 43 конденсаторами и четырнадцатым резистором 41, предохраняет схему от самовозбуждения.
Заявляемую схему можно применять в нетермостатируемых генераторах, обеспечивая при этом низкий уровень фазового шума и постоянство параметров генератора независимо от условий эксплуатации.
На Фиг.3 изображен фазовый шум выходного сигнала с частотой несущей 112 МГц при отстройке до 1 МГц от несущей для генератора, принципиальная схема которого соответствует Фиг.2.