КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР
QUARTZ OSCILLATOR

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для получения высокостабильных по частоте электрических колебаний.
Основой современных кварцевых генераторов с высокой стабильностью частоты являются кварцевые резонаторы двухповоротных срезов. Преимущество их перед предшествующими одноповоротными резонаторами AT и ВТ бесспорно, даже несмотря на необходимость принятия специальных мер по возбуждению колебаний только рабочей моды, как правило, это С. Например, в широко распространенных резонаторах среза ТД колебания мешающей моды В более активны, чем полезные колебания, и имеют частоту всего на 9% выше рабочей. Подавление этой моды - сложная техническая задача.
Пьезокерамические, а тем более LC фильтры, вводимые в схему генератора с этой целью, имеют заведомо худшую стабильность, чем кварцевый резонатор, и не могут обеспечить требуемую относительно узкополосную и глубокую частотную селекцию, не затрагивая рабочих колебаний. Результатом является ухудшение стабильности частоты этих колебаний.
Нужную селекцию может обеспечить кварцевый резонатор, лучше, если тот же самый, что уже есть в генераторе.
Так, известны кварцевые генераторы с резонаторами, возбуждаемыми параллельным полем [1]. Полностью решая вопрос с мешающей модой, они имеют целый ряд недостатков, из-за чего практически не применяются.
Известен также генератор, в котором селекция мод осуществляется за счет получения напряжения положительной обратной связи, необходимого для работы схемы, как разности между напряжениями половин определенным образом разделенного электрода кварцевого резонатора [2]. Схема этого генератора в отличие от классических должна содержать дополнительные элементы дифференциального включения резонатора либо дифференциальный усилитель.
По технической сущности последний аналог наиболее близок к заявляемому устройству.
Задача предлагаемого решения состоит в обеспечении селекции мод для кварцевых резонаторов двухповоротных срезов в традиционных схемах кварцевых генераторов, не имеющих цепей частотной селекции мод.
Достигаемый технический результат - повышение стабильности частоты генераторов.
Поставленная задача решается тем, что в кварцевом генераторе, содержащем усилитель, в цепь положительной обратной связи которого включен кварцевый резонатор двухповоротного среза с рабочей модой С и двумя электродами для возбуждения колебаний перпендикулярным полем, один электрод резонатора соединен с общей шиной, а другой разделен на две части так, чтобы каждая из них находилась соответственно только в основной зоне и в зоне противофазного электрического потенциала на стороне этого электрода для рабочей частоты, причем часть электрода, расположенная в основной зоне, подключена к выходу усилителя, а вторая его часть соединена с входом, при этом выходное напряжение усилителя может возбуждать в кварцевом резонаторе колебания рабочей моды, а напряжение второй части электрода может усиливаться им как напряжение положительной обратной связи для поддержания незатухающих колебаний.
Частный случай генератора, описанного выше, отличается тем, что электрод резонатора, соединенный с общей шиной, уменьшен в размерах таким образом, что расположен только в пределах основной зоны на своей стороне резонатора для рабочей частоты.
Еще один частный случай, в котором электрод резонатора, соединенный с общей шиной, разделен на две части так, чтобы каждая из них находилась соответственно только в основной зоне и в зоне противофазного электрического потенциала на стороне этого электрода для рабочей частоты, причем часть электрода, расположенная в основной зоне, соединена с общей шиной, а вторая его часть подключена к выходу усилителя.
Для кварцевых резонаторов двухповоротных срезов электрическая зондовая характеристика (ЗХ), то есть распределение потенциалов на поверхности колеблющегося пьезоэлемента, имеет приблизительно форму круга с центром около геометрического центра этой поверхности при возбуждении колебаний одной из мод В или С. При этом толщинно-сдвиговые колебания, как и в резонаторах AT и ВТ, концентрируются в средней ее части, особенно в пьезоэлементах выпуклого профиля [1]. В результате в центре ЗХ наблюдается амплитудный максимум. ЗХ имеет еще один отчетливо выраженный максимум ближе к краю круга, причем фаза электрических колебаний в нем противоположна той, что в центре. Этот максимум окружен зоной противофазного электрического потенциала (ПФЭП), имеющей вид сегмента, отделенного от основной зоны вокруг первого максимума хордой, чуть выгнутой в сторону центра.
Амплитуды в точках максимумов наибольшие, на границах зон близки к нулю. Обе зоны вместе составляют круг ЗХ. Фазы электрических потенциалов в них совпадают с фазами своих максимумов, то есть между собой зоны противофазны.
Вид 3Х для каждой из мод В и С примерно одинаков, но для колебаний другой моды вся картина повернута на 90° по отношению к первой, поэтому зоны ПФЭП для мод В и С располагаются в разных местах поверхности пьезоэлемента. ЗХ его противоположной стороны имеет такой же вид и всякий раз симметрична с первой относительно геометрического центра пьезоэлемента, а потенциалы одноименных зон на разных его сторонах противофазны.
Описанные ЗХ можно наблюдать, например, с помощью простейшего электромеханического зонда, представляющего собой точечный электрод, подключенный к регистрирующему устройству. При сканировании этим электродом поверхности колеблющегося пьезоэлемента характерные изменения его потенциала будут соответствовать картине распределения потенциалов на самом пьезоэлементе.
Традиционный электрод своей поверхностью перекрывает обе зоны. Они противофазны, но, ввиду того, что основная зона имеет большую площадь и амплитуду по сравнению с зоной ПФЭП и преимущественно воздействует на колебательную систему резонатора, происходит его функционирование.
На чертеже представлена схема кварцевого генератора.
Он содержит усилитель 1 и кварцевый резонатор 2 двухповоротного среза с рабочей модой С и двумя электродами для возбуждения колебаний перпендикулярным полем. Один электрод резонатора 2 соединен с общей шиной, а другой разделен на две части так, чтобы каждая из них находилась соответственно только в основной зоне и в зоне противофазного электрического потенциала на стороне этого электрода для рабочей частоты. Та часть электрода, которая расположена в основной зоне, подключена к выходу усилителя 1, а вторая его часть соединена с входом усилителя.
Работа схемы происходит следующим образом. Выходное напряжение усилителя 1 возбуждает в кварцевом резонаторе 2 акустические колебания. Амплитуда их максимальна вблизи резонансной частоты последнего, а фаза зависит от расстройки относительно этой частоты. Напряжение, порождаемое этими колебаниями на части разделенного электрода, подключенной к входу усилителя, подчиняется тем же законам.
Для рабочей частоты оптимально расположенная в основной зоне часть электрода, соединенная с выходом усилителя, эффективно генерирует колебания в кварцевом резонаторе. Они, в свою очередь, наилучшим образом преобразуются в напряжение на другой части электрода, которая тоже оптимально расположена в зоне ПФЭП, включая самую активную ее область - максимум зоны.
Для резонанса на частоте моды В амплитуда механических колебаний в резонаторе не столь велика, поскольку часть электрода, возбуждающая их, оказывается в обеих зонах ЗХ, противодействующих друг другу. И вторая часть электрода оказывается также «неудачно» расположена теперь уже на периферии основной зоны (ЗХ для моды В повернута на 90°). В результате напряжение на входе усилителя уменьшается на 15 дБ и более, в зависимости от конфигурации, площади и конкретного местоположения электродов. Кроме того, фаза этого напряжения почти противоположна той, что была на частоте рабочих колебаний зоны (противофазны). С учетом действующих конструктивных емкостей между электродами, влияния нагрузок и прочих факторов напряжения на реальных электродах не строго противофазны.
Однако, если для рабочей частоты в схеме установить баланс фаз и баланс амплитуд и в ней возникнут незатухающие колебания моды С, то для моды В оба условия генерации гарантированно не будут выполняться. Следовательно, колебания на частоте моды В в рассматриваемом генераторе возбудиться не могут.
Первый частный случай реализации генератора отличается тем, что уменьшенный в размерах электрод, соединенный с общей шиной, не входит теперь в зону ПФЭП, противодействующую возбуждению колебаний С в резонаторе. Эффективность генерации моды С несколько улучшается.
Для второго частного случая эффективность возбуждения колебаний С еще несколько повышена за счет использования этой противофазной зоны, которая с классическим электродом препятствовала, в первом частном случае не мешала, а здесь помогает возникновению колебаний в резонаторе. С этой целью часть электрода, расположенная в зоне ПФЭП, подключена к выходу усилителя, то есть к синфазной с ней цепи.
Предлагаемые технические решения были реализованы в макетах генераторов с усилителями на основе микросхем 175УВ3А и кварцевых резонаторах среза ТД (yxbl/23°25′/34°) с плоско-выпуклыми круглыми пьезоэлементами диаметром 10 мм и номинальной частотой колебаний третьего порядка моды С 10 МГц, в которых электроды разделены в соответствии с формулой изобретения. Для правильного напыления таких электродов достаточно с помощью зонда найти максимум зоны ПФЭП и поставить метку в конце радиуса, проходящего через этот максимум, после чего ориентация пьезоэлемента однозначно определена.
Генерация в схемах происходила на частоте 10 МГц, то есть на частоте колебаний рабочей моды С. Колебания моды В не возбудились ни в одном образце.
Отсутствие цепей частотной селекции мод в предлагаемых схемах кварцевых генераторов позволяет говорить об их принципиально более высокой частотной стабильности по сравнению с генераторами, где такие цепи есть. Заявляемый технический результат достигается без дополнительных элементов дифференциального включения кварцевого резонатора.
Источники информации
1. Пьезоэлектрические резонаторы: Справочник. - М.: Радио и связь, 1992. - 392 с.
2. Пат. Российской Федерации № 2251789. Опубл. 10.05.2005, бюлл. № 13.