КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР
QUARTZ CRYSTAL 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 №2301491 от 30.11.2005, опубликован 20.06.2007 БИ №17), содержащий инвертирующий усилитель, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор, кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен с первым выводом конденсатора.
Указанное выше устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является сложность настройки для достижения точной компенсации тока статической емкости кварцевого резонатора, приводящей к увеличению времени переходного процесса установления стабильного режима генерации, что в некоторых случаях недопустимо.
Решаемой задачей является создание кварцевого генератора с малым временем готовности для выхода на стабильный режим работы.
Достигаемым техническим результатом является повышение точности компенсации тока статической емкости кварцевого резонатора и уменьшение передаваемого сигнала через кварцевый резонатор в широкой полосе частот.
Для достижения технического результата в кварцевом генераторе, содержащем инвертирующий усилитель, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор, кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен с первым выводом конденсатора, новым является то, что дополнительно введены второй резистор и неинвертирующий усилитель, выход которого является выходом устройства и соединен с первым выводом второго резистора и со вторым выводом кварцевого резонатора, первый вывод которого соединен со входом неинвертирующего усилителя, вторые выводы второго резистора и конденсатора соединены соответственно со входом и выходом инвертирующего усилителя.
На фигуре 1 изображена функциональная схема кварцевого генератора. На фигуре 2 представлена эквивалентная схема кварцевого резонатора.
Устройство содержит инвертирующий усилитель 1, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор 2, кварцевый резонатор 3, первый вывод которого соединен с первым выводом конденсатора 4, второй резистор 5 и неинвертирующий усилитель 6, выход которого является выходом устройства и соединен с первым выводом второго резистора 5 и со вторым выводом кварцевого резонатора 3, первый вывод которого соединен со входом неинвертирующего усилителя 6, вторые выводы второго резистора 5 и конденсатора 4 соединены соответственно со входом и выходом инвертирующего усилителя 6.
Повышение точности компенсации тока статической емкости кварцевого резонатора осуществляется за счет применения делителя напряжения, состоящего из первого резистора 2, второго резистора 5, инвертирующего усилителя 1. Более точная компенсация достигается выбором сопротивления второго резистора 2 и емкости конденсатора 4.
0
Устройство работает следующим образом. Участок схемы "А-В", состоящей из второго резистора 5, инвертирующего усилителя 1, первого резистора 2, конденсатора 4, используется для нейтрализации статической емкости С резонатора 3.
Q
Q
вх
C1
вх
K
В случае, когда импеданс кварцевого резонатора 3 Z и компенсирующего конденсатора 4, равного , много больше входного сопротивления неинвертирующего усилителя 6 (Z>>Z; Z>>Z) ток, протекающий через кварцевый резонатор 3 I, определяется суммой двух составляющих:
вх
где Z - значение входного импеданса неинвертирующего усилителя 6;
A
U - переменное напряжение, приложенное к кварцевому резонатору 3 (точка схемы А);
K
Z - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 3 (ZQ);
K
K
K
R, L, C - эквивалентные параметры кварцевого резонатора 3 (см. фиг.2).
0
0
A
Составляющая тока кварцевого резонатора 3, обусловленная его статической емкостью С, уменьшает реальную добротность и крутизну фазочастотной характеристики резонатора и, соответственно, ухудшает стабильность частоты генератора. Наиболее сильное негативное влияние емкостного тока кварцевого резонатора 3 на стабильность частоты генератора проявляется в случаях, когда составляющие емкостного тока ωCU и резонансного тока  имеют соизмеримые значения.
Ток, протекающий через конденсатор 4, определяется выражением:
1
где C - значение емкости конденсатора 4 (см. фиг.1);
Б
U - переменное напряжение на выходе инвертирующего усилителя 1 (точка схемы Б).
C1
C1
вых_инв
Условие (3) выполняется, когда импеданс конденсатора 4 Z много больше выходного сопротивления инвертирующего усилителя 1 (Z>>Z).
2
1
A
2
Напряжение на выходе инвертирующего усилителя 1, обусловленное протеканием тока через второй резистор 5 (R), равно произведению значения сопротивления первого резистора 2 (R) обратной связи на значение входного тока, равного U/R (свойство инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления K>>1 с отрицательной обратной связью):
1
где R - значение сопротивления первого резистора 2;
2
R - значение сопротивления второго резистора 5.
Таким образом, коэффициент передачи участка схемы "А-Б" определяется отношением  и выражение (3) можно записать в виде:
0
Условие компенсации шунтирующего влияния статической емкости можно определить из суммы токов, протекающих через статическую емкость С резонатора и конденсатор 4:
Из уравнения (6) следует, , отсюда:
или
0
1
На резонансной частоте резонатора 3 при условии (6), (7), (8) емкостной ток через емкость С резонатора нейтрализуется противофазным током (5) через конденсатор 4 C и напряжение на входе неинвертирующего усилителя 6 определяется выражением:
K
где Z - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 3;
вх
Z - входной импеданс неинвертирующего усилителя 6.
вх
вх
При активном характере входного импеданса Z=R напряжение на выходе неинвертирующего усилителя 6 определяется выражением:
где  - коэффициент усиления неинвертирующего усилителя 6.
Коэффициент передачи участка "А - выход неинвертирующего усилителя 6" определяется из выражения (10):
n
K
K
Коэффициент передачи K будет иметь максимальное и действительное значение на частоте, равной резонансной частоте кварцевого резонатора 3, для которой Z=R.
Для обеспечения устойчивой работы генератора необходимо выполнение двух условий:
п
- условие баланса амплитуд, при котором коэффициент передачи неискаженного сигнала в контуре положительной обратной связи K генератора должен быть больше 1;
- условие баланса фаз, при котором:
n
где K - суммарный коэффициент передачи на частоте генерации;
n
φ - фазовый сдвиг на участке "А - выход неинвертирующего усилителя 6" на частоте генерации.
Согласно предлагаемому изобретению изготовлены макетные образцы генераторов, испытания которых подтвердили их работоспособность и эффективность. При этом инвертирующий 1 и неинвертирующий 6 усилители выполнены на комплементарных парах КМОП-транзисторов. Неинвертирующий усилитель 6 может содержать схему амплитудного диодного ограничителя или схему автоматической регулировки усиления (АРУ), которая применяется для ограничения амплитуды переменного напряжения, подаваемого на кварцевый резонатор 3.