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 №2340078 от 23.07.2007, опубликован 27.11.2008), который состоит из RC-моста, содержащего электромеханический резонатор с пьезоэлектрическим или электростатическим преобразователем, нейтрализующий конденсатор, первый и второй резисторы, второй конденсатор; дифференциального каскада на последовательно соединенных МОП-транзисторах с одинаковым типом проводимости, выходом дифференциального каскада является точка соединения стока одного транзистора с истоком другого транзистора; усилителя. Выход усилителя, являющийся выходом генератора, соединен с точкой соединения первых выводов электромеханического преобразователя резонатора и нейтрализующего конденсатора, вторые выводы которых соединены соответственно с затворами первого и второго транзисторов и первыми выводами резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно со стоками первого и второго транзисторов. Затвор второго транзистора соединен с первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен с источником питания. Выход дифференциального каскада соединен со входом усилителя, который выполнен трехкаскадным на трех комплементарных парах МОП-транзисторов, охваченных общей отрицательной обратной связью по постоянному току для обеспечения линейного режима работы при малых уровнях усиливаемого сигнала.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатками прототипа являются:
- возникновение фазовых сдвигов на выходе резонатора, которые появляются при возбуждении резонатора сигналом прямоугольной формы;
- малый уровень сигнала на выходе дифференциального каскада, что требует применения трехкаскадного усилителя;
- нестабильность суммарного фазового сдвига усилителя вследствие того, что изменяется форма выходных сигналов усилителя при изменении режима работы каскадов усилителя под действием внешних факторов эксплуатации (изменение напряжения питания, температуры окружающей среды, хранения и проч.).
Вышеуказанные недостатки приводят к нестабильности частоты генератора.
Решаемой задачей является создание генератора с кварцевым частотозадающим резонатором с повышенной стабильностью частоты генерации и «мягким» режимом возбуждения резонатора.
Достигаемым техническим результатом является возбуждение резонатора сигналом, форма которого приближена к синусоиде, увеличение уровня сигнала на выходе дифференциального каскада и уменьшение нестабильности суммарного фазового сдвига усилителя.
Для достижения технического результата в генераторе, содержащем 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, новым является то, что дополнительно введен 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 седьмого 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 подключены к стокам МОП-транзисторов, истоки которых объединены между собой и подключены ко второму выводу шестого резистора, выход усилителя является выходом устройства.
Возбуждение резонатора сигналом, форма которого приближена к синусоиде, увеличение уровня сигнала на выходе дифференциального каскада и уменьшение нестабильности суммарного фазового сдвига усилителя в предлагаемом генераторе осуществляется за счет того, что в дифференциальный каскад дополнительно введены семь резисторов, усилитель выполнен на двух комплементарных парах МОП-транзисторов, а в контур положительной обратной связи введен фильтр нижних частот. При этом выходное напряжение генератора является входным напряжением фильтра нижних частот, а напряжение возбуждения формируется на втором 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 - 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 - спектр этого сигнала. На фигурах 6 и 7 изображены эпюры напряжения возбуждения прототипа и заявляемого генератора соответственно, на фигуре 8 - эпюры напряжения возбуждения при использовании фильтра нижних частот с классической настройкой.
Генератор выполнен в виде последовательно соединенных дифференциального усилителя 1 и усилителя 2, при этом входы дифференциального усилителя 1 соединены соответственно с выходами частотозадающего элемента 4 и нейтрализующего конденсатора 5, входы которых объединены между собой и соединены с выходом фильтра нижних частот 3, вход которого соединен с выходом усилителя 2.
Заявляемый генератор согласно фигуре 1 содержит кварцевый резонатор 5 (QZ) и нейтрализующий конденсатор 4 (С1), первые выводы которых соединены между собой, дифференциальный каскад 1, выполненный на n-канальных МОП-транзисторах 11, 12 (VT1, VT2) и семи резисторах, первые выводы резисторов 7, 8, 9, 10 (R1, R2, R3, R4) объединены между собой и подключены к плюсовой шине питания, а минусовая шина питания подключена к первым выводам резисторов 13, 14, 15 (R5, R6, R7), вторые выводы резисторов 13, 14 (R5, R6) подключены к затворам n-канальных МОП-транзисторов VT1, VT2, ко вторым выводам резисторов 7, 10 (R1, R4) и ко вторым выводам нейтрализующего конденсатора 5 (С1) и кварцевого резонатора 4 (QZ) соответственно, вторые выводы резисторов 8, 9 (R2, R3) подключены к стокам n-канальных МОП-транзисторов VT1, VT2, истоки которых объединены между собой и подключены ко второму выводу резистора 15 (R17), выход которого соединен со входом усилителя 2 (объединенные затворы транзисторов VT3, VT4), который выполнен на двух комплементарных парах МОП-транзисторов 17-18 и 19-20 (VT3-VT4 и VT5-VT6), первая комплементарная пара МОП-транзисторов VT3-VT4 охвачена отрицательной обратной связью по постоянному току посредством включения резистора 16 (R8) между входом (объединенные затворы транзисторов VT3, VT4) и выходом первой комплементарной пары (объединенные стоки транзисторов VT3, VT4), для обеспечения линейного режима работы при малых уровнях усиливаемого сигнала, выход первой комплементарной пары соединен с входом второй комплементарной пары (объединенные затворы транзисторов VT5, VT6), для увеличения коэффициента усиления, выход которой (объединенные стоки транзисторов VT5, VT6) является выходом усилителя 2, истоки транзисторов VT3, VT5 подключены к плюсовой шине питания, а истоки транзисторов VT4, VT6 подключены к минусовой шине питания, выход усилителя 2 соединен с входом фильтра нижних частот - первый вывод резистора 21 (R9), второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатора 23 (С3) и первым выводом резистора 22 (R10) второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатора 24 (С4), вторые выводы конденсаторов 23, 24 (С3, С4) подключены к минусовой шине питания, второй вывод резистора 22 (R10) является выходом фильтра нижних частот, который подключен к первым выводам кварцевого резонатора 5 и нейтрализующего конденсатора 4.
Выход дифференциального каскада 1, точка объединения второго вывода резистора 9 (R3) и стока n-канального МОП-транзистора VT2, подключен к первому выводу конденсатора 6 (С2), второй вывод которого подключен к входу усилителя 2, конденсатор 6 (С2) используется для гальванической развязки входа усилителя 2 от выходных цепей дифференциального каскада 1.
Устройство работает следующим образом. Дифференциальный каскад 1 представляет собой усилитель, построенный из двух симметричных плеч, каждое из которых представляет собой самостоятельный усилительный каскад. Усилители связаны между собой истоками транзисторов VT1, VT2 и резистором 15. При полной симметрии все параметры левой половинки дифференциального каскада должны в точности равняться соответствующим параметрам правой половинки.
DZ
Дифференциальный каскад 1 может быть рассчитан одним из известных методов: аналитическим или графоаналитическим. При этом ток рабочей точки рекомендуется выбирать равным I (см. фиг.3). Именно эта величина тока транзистора является наиболее целесообразной для транзисторов дифференциального каскада 1, так как дрейф рабочих точек мало зависит от неточности подбора идентичной пары полевых транзисторов VT1, VT2. Кроме того, при расчете дифференциального каскада 1 необходимо добиться максимального значения коэффициента усиления полезного (парафазного или дифференциального) сигнала.
QZ
Через кварцевый резонатор 4 протекает ток I, определяемый суммой двух составляющих:
IN
где: U - переменное входное напряжение;
K
Z - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 5 (QZ);
K
K
K
R, L, C - эквивалентные параметры кварцевого резонатора (см. фиг.4).
0
Составляющая тока кварцевого резонатора 4, обусловленная его статической емкостью С (см. фиг.4), 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 4 аналогична прототипу и осуществляется за счет емкостного тока конденсатора 5 (С1 на фиг.2).
Значение емкости нейтрализующего конденсатора 5 выбирается из соотношения:
0
На практике С - очень малая величина (доли пФ), поэтому
C1
IN.
, , X>>R
Следовательно, выражения (6), (7), (10) имеют вид:
В силу особенности дифференциального каскада 1 при выполнении условий (1), (2), (3), (4), (12), (13), (14), (15) синфазные токи статической емкости кварцевого резонатора 4 и нейтрализующего конденсатора 5 компенсируют друг друга (передаются на выход дифференциального каскада 1 со значительным ослаблением).
Коэффициент передачи участка «первый вывод кварцевого резонатора 5 - вход дифференциального каскада 1» равен:
Коэффициент усиления дифференциального сигнала равен:
где  - крутизна транзистора,
- дифференциальное выходное сопротивление.
ВХ
ВЫХ
В усилителе 2 согласно фигуре 1 рабочая точка устанавливается автоматически, что обуславливает устойчивость работы усилителя. Рабочая точка при таком включении лежит на пересечении передаточной характеристики первой комплементарной пары МОП-транзисторов VT3-VT4 с прямой U=U. Ввиду высокого входного сопротивления транзисторов структуры МОП положение рабочей точки не зависит от сопротивления резистора R8 при изменении его в пределах от сотен Ом до нескольких десятков МОм. Значение коэффициента усиления первого звена усилителя 2 на комплементарной паре МОП-транзисторов VT3-VT4 не менее 30. Второе звено усилителя 2 на комплементарной паре МОП-транзисторов VT5-VT6 имеет коэффициент усиления примерно такой же величины и служит для увеличения общего коэффициента усиления. Таким образом, общий коэффициент усиления усилителя 2 составляет 900.
И
Фильтр нижних частот 3 должен формировать синусоидальный сигнал (приближенный по форме к синусоиде) на входе дифференциального каскада. В силу особенности усилителя 2, построенного на комплементарных парах МОП-транзисторов, и его высокого коэффициента усиления на вход фильтра поступает прямоугольная последовательность импульсов. Рассматривается случай, когда t=Т/2 (фигура 4).
Спектр такого сигнала имеет вид, изображенный на фигуре 5. Из анализа диаграммы, приведенной на фигуре 5, 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 3 будет иметь максимально приближенную к синусоиде форму.
Частоты гармоник характеризуются соотношением 19.
Коэффициент передачи фильтра нижних частот согласно фигуре 1 определяется по формуле 20.
Для упрощения расчета схемы принято следующее допущение:
R9=R10=R,
С3=С4=С.
Тогда выражение для определения коэффициента передачи фильтра имеет вид:
П
Решая уравнение , находим выражение для определения полосы пропускания f фильтра.
Фильтр нижних частот согласно фигуре 2 необходимо настроить так, чтобы отношение амплитуд гармоник 1 и 3 было максимально.
При выполнении условия (23) автоматически подавляются гармоники высших порядков (5, 7, 9 и т.д.).
Согласно соотношению (19) условие (23) можно записать в следующем виде:
Предельное значение выражения (24) с учетом формулы (21) определяется из выражения:
Полученное значение достигается при бесконечно большой частоте f, поэтому ограничимся значением Z(f) по уровню ослабления 3 дБ () от максимального значения.
Х
Данное условие (26) выполняется на частоте f
Х
Решая уравнение 27, находим f
Х
П
и отношение частот f к f:
где m - коэффициент пересчета частот.
Чтобы отношение амплитуд гармоник 1 и 3 на выходе фильтра нижних частот 3 было максимально, параметры фильтра определяются из следующего соотношения:
Изложенное выше поясняется графиками, представленными на фигурах 6, 7 и 8, где изображены осциллограммы напряжений возбуждения прототипа, заявляемого генератора с использованием фильтра нижних частот 3 согласно предложенной настройке и генератора с использованием фильтра нижних частот по классической настройке соответственно.
Коэффициент передачи фильтра нижних частот 3 согласно предложенной настройке 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 2 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 1, усилителя 2, фильтра нижних частот 3 и резонатора 4 равен или кратен 2π. В этом случае усилитель 2 на частоте автоколебаний охвачен положительной обратной связью.
Σ
где K - суммарный коэффициент передачи;
i
n
K, K - коэффициенты передачи i-го и n-го звена 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 4 и дифференциальным каскадом 1, его коэффициент передачи на резонансной частоте кварцевого резонатора 4 определяется произведением выражений (16), (17) и составляет K=K·K=0,5 (K=0,025; K=20), а фазовый сдвиг φ близок к значению, равному π (180°).
2
У
2
Вторым звеном является усилитель 2, его коэффициент передачи зависит от выбранного схемотехнического варианта. В варианте согласно фигуре 1 коэффициент передачи соответствует выражению (18) K=K=900, а фазовый сдвиг φ близок к значению, равному 0 (360°).
3
ФНЧ
3
Третьим звеном является фильтр нижних частот 3, его коэффициент передачи на резонансной частоте кварцевого резонатора 4 определяется выражением (31) K=K=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 4, будет составлять K=135, что обеспечивает первое условие (32) - условие «баланса амплитуд». Опережения по фазе, создаваемые фильтром нижних частот 3, компенсируются за счет выбора соответствующего значения емкости разделительного конденсатора 6 (С2). При этом выполняется условие «баланса фаз». Таким образом, выполнение условий (32) обеспечивает устойчивую генерацию на частоте, равной резонансной частоте резонатора 4 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 3, после которого приобретает приближенную к синусоиде форму (фигура 8), этот сигнал является напряжением возбуждения резонатора 4.
В заявляемом генераторе за счет того, что в дифференциальный каскад дополнительно введены семь резисторов, усилитель выполнен на двух комплементарных парах МОП-транзисторов, а в контур положительной обратной связи введен фильтр нижних частот, позволяет обеспечить возбуждение резонатора сигналом, форма которого приближена к синусоиде, увеличить уровень сигнала на выходе дифференциального каскада и уменьшить нестабильность суммарного фазового сдвига усилителя и, соответственно, повысить стабильность частоты генерации и обеспечить «мягкий» режим возбуждения резонатора
Работоспособность предлагаемого технического решения экспериментально проверена и подтверждена испытаниями действующих макетов генератора с использованием частотозадающих резонаторов с частотами от 40 кГц до 100 кГц.