ГЕНЕРАТОР
GENERATOR

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 №2301491 от 30.11.2005, опубликован 20.06.2007 БИ №17), содержащий первый и второй широкополосные инвертирующие усилители, выход последнего из которых соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен со входом первого широкополосного инвертирующего усилителя и через конденсатор с первым выводом кварцевого резонатора, второй вывод которого соединен со входом второго широкополосного инвертирующего усилителя и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с выходом второго широкополосного инвертирующего усилителя; выход первого широкополосного инвертирующего усилителя, являющийся выходом генератора, соединен с первым выводом кварцевого резонатора.
Указанное выше устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является изменение частоты генератора из-за изменения амплитуды первой гармоники напряжения возбуждения частотозадающего резонатора, обусловленного изменением формы выходных сигналов вследствие изменения режима работы оконечного каскада усилителя под действием внешних факторов эксплуатации (изменение напряжения питания, температуры окружающей среды, хранения и проч.).
Решаемой задачей является создание генератора с кварцевым частотозадающим резонатором с повышенной стабильностью частоты генерации (при значении эквивалентного сопротивления резонатора до 1 МОм).
Достигаемым техническим результатом является стабилизация формы и амплитуды выходных сигналов.
Для достижения технического результата в генераторе, содержащем первый и второй широкополосные инвертирующие усилители, выход последнего из которых соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен со входом первого широкополосного инвертирующего усилителя и через конденсатор с первым выводом кварцевого резонатора, второй вывод которого соединен со входом второго широкополосного инвертирующего усилителя и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с выходом второго широкополосного инвертирующего усилителя, новым является то, что дополнительно введены первый и второй диоды, соединенные между собой встречно-параллельно, конденсатор и третий резистор, первый вывод которого соединен с выходом первого широкополосного инвертирующего усилителя, являющегося выходом генератора, а второй вывод третьего резистора соединен с первым выводом кварцевого резонатора и первой точкой объединения диодов, вторая точка объединения которых соединена через второй конденсатор с общей точкой кварцевого генератора.
Стабилизация амплитуды первой гармоники напряжения возбуждения колебаний частотозадающего резонатора в предлагаемом генераторе осуществляется за счет использования в контуре положительной обратной связи нелинейного делителя напряжения, выполненного в виде последовательного соединения резистора, встречно-параллельно соединенных диодов и конденсатора. При этом выходное напряжение генератора, являющееся входным напряжением нелинейного делителя (приложено к указанной выше последовательно соединенной цепи), а выходное напряжение нелинейного делителя формируется на встречно-параллельном соединении диодов и подается на частотозадающий резонатор.
На фигурах 1 и 2 изображены функциональная и принципиальная схема одного из возможных вариантов предлагаемого генератора соответственно. На фигуре 3 представлена эквивалентная схема кварцевого резонатора. На фигурах 4 и 5 изображены передаточные характеристики усилительного тракта прототипа и заявляемого генератора.
Устройство содержит первый 1 и второй 2 широкополосные инвертирующие усилители, выход последнего из которых соединен с первым выводом первого резистора 3, второй вывод которого соединен со входом первого широкополосного инвертирующего усилителя 1 и через конденсатор 4 с первым выводом кварцевого резонатора 5, второй вывод которого соединен со входом второго широкополосного инвертирующего усилителя 2 и первым выводом второго резистора 6, второй вывод которого соединен с выходом второго широкополосного инвертирующего усилителя 2, первый 7 и второй 8 диоды соединены между собой встречно-параллельно, второй конденсатор 9 и третий резистор 10, первый вывод которого соединен с выходом первого широкополосного инвертирующего усилителя 1, являющегося выходом генератора, а второй вывод третьего резистора 10 соединен с первым выводом кварцевого резонатора 5 и первой точкой объединения диодов, вторая точка объединения которых соединена через второй конденсатор 9 с общей точкой кварцевого генератора.
В варианте исполнения предлагаемого генератора согласно фигуре 2 первый и второй широкополосные инвертирующие усилители 1 и 2, каждый из которых выполнен в виде последовательного соединения двух “p” и “n”-канальных КМОП транзисторов с объединенными между собой затворами - вход усилителя, и стоками - выход усилителя; истоки транзисторов подключены к шинам источника питания.
В этом варианте для задания режима работы по постоянному току усилителя 1 (комплементарная пара КМОП транзисторов 13, 14 - VT3, VT4) используется отрицательная обратная связь посредством включения резистора 15 (R3) между выходом (объединенные стоки транзисторов VT3, VT4) и входом усилителя (объединенные затворы VT3, VT4); конденсатор 16 используется для гальванической развязки входа усилителя 1 от выходных цепей усилителя 2.
Устройство работает следующим образом. Кварцевый резонатор 5, конденсатор 4, резистор 3 и инвертирующий усилитель 2, охваченный отрицательной обратной связью между выходом и входом через резистор 6, образуют мост с тремя пассивными и одним активным плечами. Параметры плеч указанного выше моста должны выбираться, исходя из следующего соотношения:
1
где C - значение емкости конденсатора 4 (см. фиг.1, фиг.2);
0
C - значение статической емкости кварцевого резонатора (см. фиг.3);
1
2
R, R - значение сопротивлений резисторов 6 и 3 соответственно;
K
R - активное эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора 5 (см. фиг.3).
ZQ
При этом коэффициент усиления по напряжению инвертирующего широкополосного усилителя 2 должно быть много больше 1 (в варианте исполнения согласно фиг.2 значение коэффициента усиления усилителя на комплементарной паре транзисторов 11,12 VT1, VT2 не менее 30). В этом случае значение входного сопротивления инвертирующего усилителя 2, охваченного отрицательной обратной связью через резистор 6 (R1), будет определяться отношением значения его сопротивления к значению коэффициента усиления по напряжению усилителя 2 и с учетом условия (2), ток, протекающий по резистору 6, будет близким к значению тока кварцевого резонатора 5 I, определяемым суммой двух составляющих
; ,
ZQ
где U - переменное напряжение, приложенное к кварцевому резонатору 5 (ZQ);
K
Z - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 5 (ZQ);
K
K
K
R, L, C - эквивалентные параметры кварцевого резонатора (см фиг.3).
0
0
ZQ
ZQ
Составляющая тока кварцевого резонатора 5, обусловленная его статической емкостью C, уменьшает реальную добротность и крутизну фазочастотной характеристики резонатора и, соответственно, ухудшает стабильность частоты генератора. Наиболее сильное негативное влияние емкостного тока кварцевого резонатора на стабильность частоты генератора проявляется в случаях, когда составляющие емкостного тока ωCU и резонансного тока  имеют соизмеримые значения. Напряжение на выходе усилителя 2, обусловленное током кварцевого резонатора, равно произведению значения сопротивления резистора 6 (R1) обратной связи на значение входного тока, равного I (свойство инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления K>>1 с отрицательной обратной связью)
K
Знак “минус” в выражении (3) определяет инверсию усиливаемого сигнала. Компенсация составляющей тока статической емкости кварцевого резонатора 5 аналогично прототипу и осуществляется за счет емкостного тока конденсатора 4 (C1 на фиг.2), который протекая по резистору 3 (R2), создает на нем падение компенсирующего напряжения U, равное
вх1
K
Напряжение на входе усилителя 1 U равно геометрической (векторной) сумме выходного напряжения усилителя 2 и напряжения, сформированного на резисторе 3 (R1) за счет протекания емкостного тока, задаваемого конденсатором 4 (С1) - U,
При выполнении условия (1), составляющие напряжения, определяемые токами статической емкости кварцевого резонатора 5 и компенсирующего конденсатора 4, нейтрализуют друг друга, и входное напряжение усилителя 1 будет равно
Коэффициент передачи участка “первый вывод кварцевого резонатора 5 - вход усилителя 1” равен
.
1
K
K
Коэффициент передачи K будет иметь максимальное и действительное значение на частоте, равной резонансной частоте кварцевого резонатора 5, для которой Z=R
1max
При выполнении условия (2) коэффициент передачи K будет иметь значение, равное - (0,5÷1,0). Для обеспечения устойчивой работы генератора необходимо выполнение двух условий:
- условие баланса амплитуд, при котором коэффициент передачи неискаженного сигнала в контуре положительной обратной связи генератора должен быть больше 1;
- условие баланса фаз, при котором
Σ
где K - суммарный коэффициент передачи;
i
n
K, K - коэффициенты передачи i-го и n-го звена в контуре положительной обратной связи соответственно;
i
φ - фазовый сдвиг, вносимый i-м звеном в контуре обратной связи на частоте генерации.
Σ
1
2
ус1
В предлагаемом генераторе условно можно выделить три звена, определяющих суммарный коэффициент передачи K и условие баланса фаз. Первое звено располагается между первым выводом кварцевого резонатора 5 и входом усилителя 1; его коэффициент передачи на резонансной частоте кварцевого резонатора 5 определяется выражением (7) со значением 0,5÷1,0; фазовый сдвиг φ близок к значению, равному π (180°). Вторым звеном является инвертирующий усилитель 1, его коэффициент передачи зависит от выбранного схемотехнического варианта. В варианте, согласно фиг.2, с использованием комплементарной пары “p” и “n” - канальных КМОП транзисторов коэффициент передачи K может быть получен не менее 30. Фазовый сдвиг φ близок к значению, равному π (180°). Третьим звеном является нелинейный делитель, образованный резистором 10 (R4) и нелинейным элементом, выполненным в виде встречно-параллельного включения двух диодов 7 и 8 (VD1, VD2). Конденсатор 9 (C3), включенный последовательно с диодами 7, 8 и резистором 10, должен иметь значение емкости, при которой выделяемое переменное напряжение на нем будет много меньше 0,5 B (равного прямому напряжению перехода диодов 7, 8). В этом случае коэффициент передачи по напряжению будет определяться только параметрами резистора 10 (R4) и диодов 7, 8 (VD1, VD2); его значение также будет зависеть от значения амплитуды переменного напряжения, подаваемого на нелинейный делитель - резистор 10, диоды 7, 8, и максимален со значением, близким к 1 при амплитудах входного напряжения менее 0,5 B.
Σ
При использовании диодов 7, 8 с малым значением емкости p-n перехода фазовый сдвиг на выходе нелинейного делителя может быть получен близким к нулю. В случаях, когда амплитуда переменного напряжения на входе нелинейного делителя (резистор 10, диоды 7, 8) превышает значения (0,5…0,6) В, на выходе делителя (точка объединения резистора 10 и диодов 7, 8) сигнал будет иметь ограничение на уровне, соответствующем значению прямого напряжения диодов 7, 8. Встречно-параллельное включение диодов 7, 8 позволяет обеспечить симметричное ограничение положительной и отрицательной амплитуды переменного напряжения, действующего на входе нелинейного делителя “резистор 10 - диоды 7, 8”. При синусоидальной форме входного сигнала, подаваемого на нелинейный делитель, на его выходе будет сигнал трапецеидальной формы с амплитудой, равной значению прямого напряжения диодов 7, 8 со значением амплитуды первой гармоники меньшей амплитуды входного сигнала, т.е. коэффициент передачи, определяемый как отношение первой гармоники выходного сигнала нелинейного делителя к амплитуде сигнала на его входе будет уменьшаться по мере увеличения амплитуды входного напряжения. В системе с положительной обратной связью, удовлетворяющей условиям (8), процесс установления колебаний после подачи напряжения питания начинается с очень малых амплитуд (соизмеримых с амплитудами шума) с постепенным нарастанием до значений, при которых возникают нелинейные искажения, уменьшающие суммарный коэффициент передачи по первой гармонике до K = 1.
1
2
3
Σ
В предлагаемом генераторе с исполнением, согласно фигуре 2, при указанных выше значениях K=0,5÷1,0 и K=30 значение суммарного коэффициента передачи в режиме малого сигнала (выходное напряжение усилителя 1 не более 0,5 B, K=1) на частоте, равной резонансной частоте резонатора 5, будет находиться в пределах K=15÷K30, что обеспечивает первое условие (8) - условие “баланса амплитуд”. При этом выполняется также и условие “баланса фаз”. Некоторые возможные запаздывания по фазе, создаваемые усилителями 1 и 2, могут быть скомпенсированы за счет выбора соответствующего значения емкости разделительного конденсатора 16 (C2). Таким образом, выполнение условий (8) обеспечивает устойчивую генерацию на частоте, равной резонансной частоте резонатора 5, после подачи на генератор напряжения питания с ростом амплитуды на его выходе от нуля до значения, близкого к прямому напряжению диодов 7, 8 (VD1, VD1). Наличие конденсатора 9 (C3) в цепи нелинейного делителя “резистор 10 (R4) - диоды 7, 8 (VD1, VD2)” обеспечивает выделение на делителе переменной составляющей выходного напряжения усилителя 1 и при равенстве прямых напряжений диодов 7, 8 - симметричное ограничение положительных и отрицательных амплитуд напряжений выходного сигнала нелинейного делителя.
Указанное выше симметричное ограничение выходного сигнала нелинейного делителя сохраняется в случаях, когда рабочая точка усилителя 1 находится в пределах границ значений
max
min
где U, U - значения положительных и отрицательных неискаженных амплитуд выходных сигналов усилителя 1 или верхняя и нижняя граница линейного участка передаточной характеристики усилителя 1;
D
U - прямое напряжение диодов 7, 8.
Смещение рабочей точки за пределы, определенные условием (9), приведет к асимметричному ограничению выходного сигнала на входе кварцевого резонатора 5 за счет нелинейности усилителя 1. У прототипа ассиметричное ограничение выходного сигнала усилителя 1 будет иметь место при любом смещении рабочей точки относительно середины линейного участка выходной характеристики, т.е.
.
Изложенное выше поясняется графиками, представленными на фигурах 4 и 5, где изображены осциллограммы формирования выходных сигналов предлагаемого генератора и прототипа соответственно.
Процесс установления колебаний генератора начинается с очень малых амплитуд с синусоидальной неискаженной формой выходных сигналов и заканчивается нелинейным ограничением. У генератора прототипа нелинейное ограничение осуществляется в последнем каскаде усилителя (усилитель 1), форма ограниченного сигнала зависит от положения рабочей точки. При расположении рабочей точки в середине передаточной характеристики переменная составляющая выходного сигнала усилителя 1 будет иметь симметричную форму положительных и отрицательных амплитуд, а их сумма будет близка к значению напряжения питания. Смещение рабочей точки у прототипа от среднего положения приводит к асимметрии положительных и отрицательных амплитуд с уменьшением значения амплитуды первой гармоники, что ведет к изменению резонансной частоты частотозадающего резонатора 5.
В предлагаемом генераторе использование внешнего симметричного ограничителя с напряжением ограничения много меньшего, чем у усилителя, позволяет обеспечить стабильность амплитуды и формы переменного напряжения возбуждения частотозадающего резонатора и, соответственно, стабильность генерируемой частоты.
Работоспособность предлагаемого технического решения экспериментально проверена и подтверждена испытаниями действующих макетов генератора с использованием частотозадающих резонаторов с частотами от 40 кГц до 100 кГц.