КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР
QUARTZ OSCILLATOR

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для генерации электрических сигналов, стабилизированных электромеханическими резонаторами, в частности в пьезорезонансных датчиках.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является кварцевый генератор (см. патент РФ №2450415 от 11.03.2011 г., опубликованный в Б.И. №13 от 10.05.2012 г.), содержащий кварцевый резонатор и блок компенсации его статической емкости, включающий последовательно соединенные первый инвертирующий усилитель и конденсатор, при этом второй вывод конденсатора и вход первого инвертирующего усилителя соединены с выводами кварцевого резонатора соответственно.
Указанное выше устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является относительно малое значение активного импеданса нагрузки кварцевого резонатора и соответственно малое значение напряжения на выходе кварцевого резонатора, что требует использования усилителя с большим коэффициентом передачи.
Решаемой технической задачей является создание генератора с кварцевым резонатором с повышенным напряжением на нагрузке кварцевого резонатора без потери его добротности и снижения требований к коэффициенту передачи усилителя в контуре обратной связи.
Достигаемым техническим результатом является повышение устойчивости работы генератора в различных условиях эксплуатации.
Для достижения технического результата в кварцевом генераторе, содержащем кварцевый резонатор и блок компенсации его статической емкости, включающий последовательно соединенные первый инвертирующий усилитель и конденсатор, при этом второй вывод конденсатора и вход первого инвертирующего усилителя соединены с выводами кварцевого резонатора соответственно, новым является то, что дополнительно введены второй инвертирующий усилитель, выход которого является выходом устройства, каскодный неинвертирующий усилитель, выполненный на двух КМОП-транзисторах, и фазовый корректор, выход которого через кварцевый резонатор соединен со входом каскодного неинвертирующего усилителя, выход которого соединен со входом второго инвертирующего усилителя, выход которого соединен со входом фазового корректора.
На фигуре 1 изображена функциональная схема заявляемого генератора. На фигуре 2 представлена схема одного из возможных вариантов реализации заявляемого генератора. На фигуре 3 представлена эквивалентная схема кварцевого резонатора.
Кварцевый генератор содержит кварцевый резонатор 1 и блок компенсации его статической емкости 2, включающий последовательно соединенные первый инвертирующий усилитель 3 и конденсатор 4, при этом второй вывод конденсатора 4 и вход первого инвертирующего усилителя 3 соединены с выводами кварцевого резонатора 1 соответственно, введены второй инвертирующий усилитель 5, выход которого является выходом устройства, каскодный неинвертирующий усилитель 6, выполненный на двух КМОП-транзисторах, и фазовый корректор 7, выход которого через кварцевый резонатор 1 соединен со входом каскодного неинвертирующего усилителя 6, выход которого соединен со входом второго инвертирующего усилителя 5, выход которого соединен со входом фазового корректора 7. В неинвертирующем каскодном усилителе 6 транзистор 11 включен по схеме с общим истоком, а транзистор 12 с общим затвором, истоки транзисторов объединены. В таком включении транзисторов устраняется проходная емкость с выхода на вход усилителя (емкость «Миллера»), входной импеданс определяется входной емкостью транзистора 11 и значением резистора 14. Транзистор 11 и резистор 13 образуют истоковый повторитель, резисторы 13, 14, 15 задают режим работы транзистору 11. Выходной каскад каскодного неинвертирующего усилителя 6 выполнен по схеме с «общим затвором» на транзисторе 12, резисторе 16 (нагрузка каскада). Резисторы 13, 16, 17 задают транзистору 12 режим по постоянному току. Конденсаторы 18, 19 устраняют переменные составляющие напряжений на стоке транзистора 11 и затворе транзистора 12 соответственно.
5
6
7
Σ
∑
Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения на шины питания от источника постоянного напряжения (на фигуре 1 не показан) усилители 3, 5, 6 устанавливаются в активный режим, обеспечивая передачу входного переменного напряжения, например напряжения шумов с увеличением амплитуды на своих выходах в соответствии с их коэффициентами передачи K, K. Выходной сигнал инвертирующего усилителя 5 передается через фазовый корректор 7 с коэффициентом передачи |K|<1. С выхода фазового корректора 7 переменное напряжение подается на вход кварцевого резонатора 1 и вход блока компенсации его статической емкости 2. При значении суммарного коэффициента передачи K контура обратной связи больше единицы создаются условия для автогенерации на частоте, при которой выполняется условие «баланса фазы». В переходном режиме амплитуда переменного напряжения нарастает от практически «нулевого» значения до значений, при которых возникают нелинейные искажения, препятствующие росту амплитуды первой гармоники. При этом суммарный коэффициент передачи становится равным единице K=1.
k
0
k
k
Импеданс кварцевого резонатора 1 Z эквивалентен импедансу последовательного L, C, R резонансного контура, шунтированного параллельной статической емкостью C. На частоте электрического сигнала, близкой к частоте последовательного резонанса, импеданс Z минимален и определяется в основном величиной активного эквивалентного сопротивления R. При этом ток на выходе кварцевого резонатора 1 будет максимален и определяется суммой токов:
ZQ
- тока последовательного резонанса i;
0
C0
- тока статической емкости C i.
Значение этих токов пропорционально значению напряжения на первом выводе кварцевого резонатора 1, равного выходному напряжению фазового корректора 7. Входное напряжение неинвертирующего усилителя 6 определяется его входным импедансом и суммой выходных токов кварцевого резонатора 1 и блока компенсации статической емкости 2:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mn>6</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Z</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mn>6</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>Z</mi><mi>Q</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>i</mi><mrow><mi>C</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>i</mi><mrow><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>               </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
ZQ
где i - ток последовательного резонанса;
C0
i - ток статической емкости кварцевого резонатора 1;
ком
i - выходной ток блока компенсации статической емкости 2;
вх6
Z - входной импеданс неинвертирующего усилителя 6.
ком
ком
C0
ком
C0
C0
ком
ZQ
<mrow><mfrac><mn>3</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>π</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><mn>270</mn><mo>°</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Выходной ток i блока компенсации статической емкости 2 определяется коэффициентом передачи инвертирующего усилителя 3 (задается значениями резисторов 8, 9) и значением емкости компенсирующего конденсатора 4. Этими параметрами значение компенсирующего тока i задается близким к значению тока статической емкости i. Фаза компенсирующего тока i противоположна фазе тока i за счет инвертирующего усилителя 3 и емкостного характера импеданса компенсирующего конденсатора 4. Таким образом, во входной цепи усилителя 6 ток i будет компенсирован током i и выходное напряжение будет определяться током последовательного резонанса кварцевого резонатора 1. Фаза входного и выходного напряжений неинвертирующего усилителя 6 определяется емкостным характером его входного импеданса и фазой тока i, которая определяется резистивно-индуктивным характером импеданса кварцевого резонатора 1. Сдвиг фазы между напряжением на первом выводе кварцевого резонатора 1 и напряжением на входе и выходе неинвертирующего усилителя 6 близок к π/2(-90°). Инвертирующий усилитель 5 создает переворот фазы сигнала на - π(-180°). Суммарный сдвиг фазы сигнала на его выходе относительно фазы на входе кварцевого резонатора 1 будет равен -
. Для обеспечения условия баланса фаз на выходе инвертирующего усилителя 5 включен фазовый корректор 7, фазовый сдвиг которого близок к - π/2(-90°). Таким образом, суммарный фазовый сдвиг между напряжением на первом выводе кварцевого резонатора 1 и напряжением на выходе фазового корректора 7 будет равен 2π(360°). Фазовый корректор 7 может быть выполнен, по крайней мере, на одной интегрирующей RC-цепи.
Согласно предлагаемому изобретению изготовлены макетные образцы генераторов, испытания которых подтвердили их работоспособность и эффективность.