Двухмодовый кварцевый генератор

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использовано в составе термокомпенсированных автогенераторов в качестве источника электрических колебаний и термодатчика.
Одной из основных проблем термокомпенсации уходов частоты является измерение температуры пьезопластины кварца. Использование внешнего термодатчика приводит к возникновению статической и динамической ошибки измерения температуры, связанной с геометрической разобшенностью термодатчика и опорного пьезоэлемента. Это приводит к ухудшению температурной стабильности, особенно в условиях неравномерного нагрева и при изменениях температуры окружаюш,ей среды. Наиболее эффективным методом повышения точности измерения температуры пьезопластины является использование двухчастотного двухмодового возбуждения кварцевых резонаторов (КР) двухповоротных срезов ТД (SC), ИТ. При этом колебания моды С используются как источник стабильной частоты, а моды В - в качестве стабильного во времени температурного датчика с температурным коэффициентом частоты:
-30-10 , на основе которого строится система термокомпенсации. Такие кварцевые генераторы (КГ), отличаясь малыми габаритами и быстрым
выходом на режим, способны обеспечить относительную температурную
стабильность в широком диапазоне температур в пределах ±5 -10 и выше.
Для одновременного генерирования двух мод колебаний в КР более предпочтительными являются технические решения, используюш;ие для возбуждения одно общее для обоих колебаний автогенераторное кольцо. Данный подход, в отличие от подхода с двумя автогенераторными кольцами, позволяет построить двухмодовый КГ без дополнительных селектирующих цепей, на основе простых однокаскадных схем, что с условием отсутствия индуктивностей в схеме обуславливает наибольшую технологичность при микроэлектронном исполнении.
Известно использование генератора по схеме Колпитца в качестве двухмодового КГ, содержащего усилитель на транзисторе по схеме с общим коллектором, между общей шиной и эмиттером, а также между базой и эмиттером которого включены фазирующие конденсаторы, при этом между базой транзистора и общей шиной источника питания включен кварцевый резонатор 1.
Недостатком данного КГ являются повышенные требования к параметрам двухмодовых КР из-за необходимости использования резонаторов с малым соотношением динамических сопротивлений потерь по обеим модам колебаний. Область динамических сопротивлений резонаторов по обеим модам, на которой КГ работает в двухмодовом режиме, представлена на фиг. 3. Если соотношение сопротивлений КР становиться
активная мода полностью подавляет менее активную, и КГ переходит в одномодовый режим. Следствием ограничения на параметры КР является малый диапазон рабочих температур КГ, так как, за счет температурного дрейфа, отношение сопротивлений резонатора по обеим модам может превысить допустимый предел, на котором существует двухмодовый режим.
Другим недостатком КГ является то, что он не обеспечивает двухмодовое возбуждение КР с сопротивлением по моде В большим, чем по моде С (фиг. 3). Необходимость использования в КГ таких резонаторов продиктована требованиями к спектральной чистоте опорного колебания (мода С), так как только при условии превышения сопротивления КР по моде В над его сопротивлением по моде С можно получить меньший уровень возбуждения моды В относительно моды С.
Наиболее близок к предложенному по технической сушности двухмодовый кварцевый генератор, содержащий усилитель на транзисторе по схеме с общим коллектором, между общей шиной и эмиттером, а также между базой и эмиттером транзистора включены фазирующие конденсаторы, при этом между базой транзистора и общей шиной источника питания включен кварцевый резонатор, а между эмиттером транзистора и общей шиной включена последовательная RC-цепь 2.
Недостатком данного КГ являются повышенные требования к параметрам двухмодового КР. Область динамических сопротивлений резонаторов по обеим модам, на которой КГ работает в двухмодовом
представленного аналога (фиг. 3), КГ обладает лучшими характеристиками. Однако при использовании резонаторов, у которых сопротивление по моде В больше, чем по моде С, КГ способен поддерживать двухмодовый режим
ТОЛЬКО для узкой области значений их динамических сопротивлений из-за сильной конкуренции колебаний (заштрихованная область на фиг. 4). Необходимость использования таких резонаторов обусловлена требованиями к спектральной чистоте опорного колебания.
Задачей настоящей полезной модели является расширение области значений динамических сопротивлений резонатора по обеим модам, при которых схема КГ способна поддерживать двухмодовый режим, путем ослабления конкуренции между колебаниями, с целью стабильного возбуждения двухмодовых КР с сопротивлением по моде В большим, чем по моде С в широком диапазоне разброса их параметров и изменения температуры.
Поставленная задача достигается тем, что в кварцевый генератор, содержащий усилитель на транзисторе по схеме с общим коллектором, между общей шиной и эмиттером, а также между базой и эмиттером транзистора включены фазирующие конденсаторы, при этом между базой транзистора и общей шиной источника питания включен кварцевый резонатор, а между эмиттером транзистора и общей шиной включена последовательная RC-цепь, дополнительно введены конденсатор между коллектором и эмиттером транзистора и резистор между коллектором транзистора и положительной клеммой источника питания.
На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предложенного двухмодового кварцевого генератора; на фиг. 2 показана область динамических сопротивлений резонаторов по обеим модам, для которых данная схема работает в двухмодовом режиме. Рабочий участок, на котором в двухмодовом режиме возбуждаются резонаторы с сопротивлением по моде В большим, чем по моде С, выделен штриховкой. На фиг. 3 показана подобная область сопротивлений для схемы представленного аналога (рабочий участок отсутствует). На фиг. 4 показана эта же область для схемы прототипа (рабочий участок относительно мал).
Двухмодовый кварцевый генератор (фиг. 1) содержит усилитель на транзисторе по схеме с общим коллектором 1, между обшей шиной и эмиттером, а также между базой и эмиттером транзистора включены фазируюш,ие конденсаторы 2 и 3, а между базой и общей шиной включен кварцевый резонатор 4. Кроме того, между эмиттером и общей шиной включена последовательная RC цепь 5, между эмиттером и коллектором транзистора включен конденсатор 6, а в цепи коллектора - резистор 7.
Генератор работает следующим образом. В момент включения питания в генераторе возникают двухмодовые колебания при выполнении на частотах мод резонатора следз ющих условий самовозбуждения:
,..2,(1)
где Rg,Ha4 - эффективные отрицательные входные сопротивления схемы
,
момент начала возбуждения; Rq, - сопротивление потерь резонатора по
обеим модам;
k - номер моды колебаний.
Амплитуда колебаний / возрастает, что приводит к уменьшению модуля отрицательного сопротивления схемы возбуждения для каждого колебания RgAl}, как за счет нелинейности колебательной характеристики,
так и за счет увеличения напряжения автосмещения. Это происходит вплоть до установления стационарного режима:
-%(/)    1..2.(2)
С ростом амплитуды колебаний усиливается конкуренция между ними, связанная с уменьшением запаса по возбуждению менее активного колебания из-за увеличения напряжения автосмешения при установлении более активного. Запас по самовозбуждению .каждого колебания определяется
разностью:
А -Rg Ha4-Rqj,k  ..2.(3)
При увеличении напряжения смещения модуль  уменьшается за счет
снижения крутизны колебательной характеристики.
Уменьшение запаса по самовозбуждению менее активного колебания под действием автосмещения до нуля, приводит к затуханию этого колебания и переходу генератора в одномодовый режим. RC-цепь 5 препятствует увеличению напряжения автосмещения за счет шунтирования
низкочастотных комбинационных составляющих обоих мод, т.к. они вносят наибольший вклад в его значение.
Цепь, состоящая из конденсатора 6 и резистора 7, ослабляет конкуренцию колебаний, проявляющуюся при использовании резонаторов с
сопротивлением по моде В большим, чем по моде С. Модуль  схемы
возбуждения на частоте моды В меньше, чем на частоте моды С (в двухмодовых резонаторах частота колебаний моды В выше чем моды С), поэтому использование указанных резонаторов приводит к значительному снижению запаса по самовозбуждению колебания по моде В (3). Дальнейшее его уменьшение под действием напряжения автосмещения от более активного колебания по моде С может привести к полному подавлению колебания по моде В. Цепь, состоящая из конденсатора 6 и резистора 7, работает как частотно-зависимая отрицательная обратная связь, и снижает модуль отрицательного сопротивления схемы возбуждения на частоте моды С. Это позволяет снизить напряжение автосмещения за счет снижения амплитуды колебания по моде С.
Ослабление конкуренции между колебаниями с помощью цепи, состоящей из конденсатора 6 и резистора 7, расширяет область значений динамических сопротивлений резонатора по обеим модам, при которых схема КГ способна поддерживать двухмодовый режим с в сторону стабильного возбуждении резонаторов с сопротивлением по моде В большим, чем по моде С (фиг. 2).
Двухмодовый кг был реализован в микроэлектронном исполнении и использован в составе макетов термокомпенсированных КГ. В двухмодовом режиме возбуждались резонаторы, соотношение сопротивлений которых по обеим модам достигало 2-3 раз. Автогенератор сохранял работоспособность в диапазоне температур (-60..+80)С, притом, что сопротивление резонатора в данном температурном диапазоне с учетом провалов активности изменялось более чем в два раза.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1.Альтштуллер Г.Б., Кварцевые генераторы, - М.: Радио и связь, 1984, С.46, рис.4.8.
2.Авторское свидетельство СССР JVe 1145450, кл. Н 03 В 5/32, 1985.