Сверхмалошумящий кварцевый генератор
ULTRA-LOW-NOISE QUARTZ OSCILLATOR

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к генераторам, и может быть использовано в генераторах с кварцевыми резонаторами.
Применение кварцевых резонаторов в качестве стабилизации частоты генераторов широко применяется и позволяет достичь крайне малых значений уровня фазовых шумов (ФШ), однако стандартные схемы включения резонатора в колебательный контур генератора не позволяют добиться значений ФШ на «полке» (при больших отстройках от несущей частоты) ниже -180 дБн/Гц. Одним из способов решения данной проблемы является не только включение резонатора между задающим генератором и буферным усилителем в качестве фильтра, описанного в статье Michael M. Driscoll «Low Noise Oscillator Design and Performance», 2002 IEEE Frequency Control Symposium June 1, 2002 New Orleans, LA, USA., но и применение в качестве буферного каскада усилителя с общей базой, являющегося наименее шумящим, а также повышение мощности задающего генератора (и, соответственно, буферного усилителя) при незначительном увеличении мощности, рассеиваемой на резонаторе для повышения соотношения сигнал/шум. Это оказалось возможным при использовании как резонаторов SC-среза, обладающих значительной стойкостью к воздействию повышенных электрических нагрузок, так и способом их включения.
Известен способ получения низких ФШ на высоких частотах путем возбуждения кварцевого резонатора на высших механических (до 13 и выше) гармониках, позволяющий избежать умножения частоты и связанного с этим появления в спектре выходного сигнала субгармоник (патент РФ на изобретение №2439775).
Однако с повышением номера гармоники быстро растет и активная составляющая сопротивления кварцевого резонатора, что так же быстро ухудшает уровень ФШ. В результате ФШ при больших отстройках становятся значительно хуже, чем при прямом умножении.
Известны различные конструкции кварцевых генераторов:
- фирмы АО «НПФ Микран» (г. Томск) MOXO-100. Однако ФШ этого генератора в дальней зоне при отстройке 10 кГц и более не достигают значения -180 дБн/Гц;
- фирмы Magic Xtal Ltd (г. Омск) серии MX037, выполненные по технологии резонатор-термостат с малым  временем готовности;
- фирмы АО «Морион» (г. Санкт-Петербург) марок ГК317, ГК318, ГК354 с уровнем ФШ -178 дБн/Гц при отстройке 100 кГц и более;
- фирмы Pascall Electronics Limited (Англия) с уровнем ФШ -182 дБм/Гц при отстройке 100 кГц.
Известен также двухкаскадный кварцевый генератор с резонатором, включенным между эмиттерами транзисторов (патент РФ на изобретение №2319285). Кварцевый генератор содержит два транзистора, на первом из которых выполнен каскад с общей базой, а на втором - каскад с общим коллектором, колебательный контур, кварцевый резонатор, блокировочный конденсатор, два разделительных конденсатора, два резистора, дроссель, два резистивных делителя напряжения и конденсатор.
Известен также высокочастотный генератор с умножением на три частоты кварцевого резонатора, работающего на пятой механической гармонике (патент США на изобретение №5223801).
Общим недостатком вышеупомянутых генераторов является низкий уровень фазового шума при отстройке от несущей частоты 10 кГц и более.
Наиболее близким аналогом к описываемому генератору является генератор, представленный в патенте США на изобретение №4843349. Кварцевый резонатор включен непосредственно между генераторным транзистором и транзистором буферного каскада.
В этом случае входной ток буфера ограничен предельно допустимым током резонатора, что в свою очередь ограничивает и мощность задающего генератора и, как следствие, предельно достижимый минимум ФШ.
Задачей заявляемого изобретения является обеспечение сверхнизкого уровня фазового шума выходного сигнала кварцевого генератора.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что сверхмалошумящий кварцевый генератор содержит узел генерации, включающий биполярный транзистор и LC-контур, соединенный через узел кварцевого резонатора с эмиттером транзистора узла буферного усилителя; узел генерации включает дополнительно резисторы и конденсаторы, при этом первый и второй резисторы и первый конденсатор соединены с коллектором биполярного транзистора, с базой второй и третий резисторы и третий конденсатор, а с эмиттером - четвертый резистор и LC-контур; узел кварцевого резонатора сформирован из кварцевого резонатора и двух катушек индуктивности, подключенных с ним по автотрансформаторной схеме; узел буферного усилителя включает второй биполярный транзистор, резисторы, конденсаторы и катушку индуктивности, при этом пятый, шестой резисторы и шестой конденсатор соединены с базой второго транзистора, эмиттер транзистора соединен с седьмым конденсатором и седьмым резистором, а коллектор транзистора - с четвертой катушкой индуктивности и пятым конденсатором. Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками узел генератора дополнительно содержит пятую катушку индуктивности, включенную между эмиттером первого транзистора и четвертым резистором.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками узел генерации содержит дополнительную катушку индуктивности, включенную между эмиттером первого транзистора и четвертым резистором.
Заявляется также генератор, в котором наряду с вышеописанными признаками узел генерации содержит между коллектором первого транзистора и шестым резистором дополнительный резистор.
Кроме того, заявляется генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками узел буферного усилителя дополнительно содержит включенный между общей точкой и шестым конденсатором дополнительный резистор.
Заявляется также генератор, в котором наряду с вышеописанными признаками в узлах генерации и буферного усилителя между источником питания и общей точкой дополнительно включены фильтрующие конденсаторы.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в получении сверхнизкого уровня фазового шума. Данный технический результат достигается за счет того, что узел генерации, построенный на малошумящем биполярном транзисторе средней мощности представляет из себя LC генератор Колпитца повышенной мощности, который в свою очередь имеет частотно-зависимую цепь, состоящую из катушка и конденсатора в цепи обратной связи по переменному току, имеющей минимум сопротивления на частоте генерации для предотвращения паразитной генерации на моде B резонатора. В то же время цепь обратной связи данного генератора замыкается через узел кварцевого резонатора на землю через узел буферного усилителя, имеющего низкое входное сопротивление за счет включения малошумящего транзистора средней мощности по схеме с общей базой. Узел кварцевого резонатора выполнен по автотрансформаторной схеме. Суммарная индуктивность второй и третьей катушек вместе со статической емкостью резонатора образуют колебательный контур, настроенный на частоту резонатора, а их соотношение выбрано таким образом, что входной высокочастотный ток буферного каскада значительно превышает ток через резонатор, и таким образом увеличивается соотношение сигнал/шум.
LC генератор Колпитца имеет частоту близкую к резонансной частоте кварцевого резонатора за счет чего происходит генерация сигнала на рабочей частоте кварцевого резонатора, а выходной малошумящий буферный усилитель обеспечивает стабильный уровень сигнала на выходе генератора и хорошую развязку от нагрузки. Таким образом, заявляемый генератор позволяет получить уровень фазового шума менее -185 дБн/Гц при отстройке более 20 кГц от несущей частоты при сохранении низкого шума на малых отстройках, определяемого в основном добротностью используемого резонатора.
Заявляемое изобретение поясняется с помощью Фиг. 1-2, на которых изображено:
на Фиг. 1 - функциональная схема генератора;
на Фиг. 2 - принципиальная схема генератора.
На Фиг. 1 и Фиг. 2 позициями 1-30 обозначены:
1 - узел генерации;
2 - узел кварцевого резонатора;
3 - узел буферного усилителя;
4 - первый биполярный транзистор;
5 - первая катушка индуктивности;
6 - первый резистор;
7 - второй резистор;
8 - третий резистор;
9 - четвертый резистор;
10 - первый конденсатор;
11 - второй конденсатор;
12 - третий конденсатор;
13 - четвертый конденсатор;
14 - вторая катушка индуктивности;
15 - третья катушка индуктивности;
16 - кварцевый резонатор;
17 - второй биполярный транзистор;
18 - четвертая катушка индуктивности;
19 - пятый резистор;
20 - шестой резистор;
21 - седьмой резистор;
22 - пятый конденсатор;
23 - шестой конденсатор;
24 - седьмой конденсатор;
25 - пятая катушка индуктивности;
26 - восьмой резистор;
27 - восьмой конденсатор;
28 - шестая катушка индуктивности;
29 - девятый резистор;
30 - девятый конденсатор.
Генератор состоит из соединенных узла генерации 1, узла кварцевого резонатора 2 и узла буферного усилителя 3. Вход узла генерации 1 соединен с шиной питания, выход со входом узла кварцевого резонатора 2, выход которого соединен со входом узла буферного усилителя 3. Узел генерации 1 включает биполярный транзистор 4, первую 5 катушку индуктивности, первый 6, второй 7, третий 8 и четвертый 9 резисторы, первый 10, второй 11, третий 12 и четвертый 13 конденсаторы. В узле генерации 1 коллектор биполярного транзистора 4 соединен с первым конденсатором 10 и через первый резистор 6 соединен с шиной питания. С базой биполярного транзистора 4 соединены второй 7 и третий 8 резисторы. С эмиттером биполярного транзистора 4 соединен четвертый резистор 9 и колебательный контур, состоящий из второго конденсатора 11 и катушки индуктивности 5. Первая катушка 5 колебательного контура соединена с емкостным делителем, состоящем из третьего 12 и четвертого 13 конденсаторов соединенных с базой первого транзистора 4 и общей точкой соответственно. Выход узла генератора 1 соединен с узлом кварцевого резонатора 2. Узел кварцевого резонатора состоит из кварцевого резонатора 16, второй 14 и третьей 15 катушек индуктивности. Вход узла кварцевого резонатора соединен с первым выводом второй катушки индуктивности 14 и с первым выводом кварцевого резонатора 16. Второй вывод кварцевого резонатора 16 соединен через третью катушку индуктивности 15 с выходом узла кварцевого резонатора 2 и вторым выводом второй катушки индуктивности 14. Выход узла кварцевого резонатора 2 соединен со входом узла усилителя 3. Вход узла усилителя соединен через седьмой конденсатор 24 с эмиттером второго транзистора 17, который через седьмой резистор 21 соединен с общей точкой. База второго транзистора 17 соединена с пятым 19 и шестым 20 резисторами и через шестой конденсатор 23 соединена с общей точкой. Коллектор второго транзистора 17 через четвертую катушку индуктивности 18 соединен с шиной питания, а через пятый конденсатор 22 соединен с выходом узла буферного усилителя 3.
В отдельных случаях исполнения при использовании СВЧ транзисторов для предотвращения самовозбуждения генератора на частотах, определяемых паразитными емкостями и индуктивностями монтажа в схему генератора, описанную выше, могут быть включены следующие элементы в соответствии с Фиг. 2.
В узел генерации 1 могут быть дополнительно введены восьмой резистор 26, и пятая катушка индуктивности 25. Восьмой резистор 26 включен между коллектором первого транзистора 4 и первым резистором 6. Пятая катушка индуктивности 25 включена между эмиттером первого транзистора 4 и четвертым резистором 9.
В узел буферного усилителя 3 могут быть дополнительно введены девятый 29 резистор и шестая 28 катушка индуктивности. Девятый резистор 29 включен между шестым конденсатором 23 и общей точкой.
Кроме того в схему генерации 1 могут быть введены дополнительные фильтрующие элементы. В цепи питания узла генерации 1 включен восьмой конденсатор 27 между шиной питания и общей точкой.
В цепи питания узла буферного усилителя 3 включен девятый конденсатор 30 между шиной питания и общей точкой.
Генератор работает следующим образом.
Через первый резистор 6 напряжение питания поступает на биполярный транзистор 4 узла генерации 1. Второй 7 и третий 8 резисторы, образующие делитель напряжения, задают необходимое смещение напряжения на базе биполярного транзистора 4 и обеспечивают его оптимальную рабочую точку. Узел генерации 1 построен по схеме Колпитца, поэтому колебательный контур, состоящий из второго конденсатора 11 и первой катушки индуктивности 5, настроен на рабочую частоту генератора, и включен между эмиттером транзистора 4 и емкостным делителем, состоящим из третьего 12 и четвертого 13 конденсаторов. Четвертый резистор 9 обеспечивает необходимый режим возбуждения и работы узла генерации 1. Выход узла генерации 1 через кварцевый резонатор 16, включенный в автотрансформаторную схему со второй 14 и третьей 15 катушками индуктивности, соединен с узлом усилителя 3 через конденсатор 24. Узел буферного усилителя 3 образует усилительный каскад, работающий по схеме с общей базой. Пятый 19 и шестой 20 резисторы задают необходимое смещение напряжения на базу второго транзистора 17, а шестой конденсатор 23 соединяет базу с общей точкой по переменному току, обеспечивающий работу транзистора по схеме с общей базой. Через четвертую катушку индуктивности 18 поступает напряжение питания на второй биполярный транзистор 17. Седьмой резистор 21 обеспечивает необходимый рабочий ток каскада, а пятый конденсатор 22 развязывает выход генератора от постоянной составляющей напряжения питания.
Восьмой 27 и девятый 30 конденсаторы необходимы для фильтрации источника питания генератора.
В узел буферного усилителя 3 могут быть дополнительно введена шестая катушка индуктивности 28, которая развязывает входную цепь эмиттера по переменному току.
Заявляемую схему можно применять как в термостатированных, так и в нетермостатированных генераторах, обеспечивая при этом сверхнизкий уровень фазового шума.
На Фиг. 3 приведен график зависимости плотности мощности ФШ генератора в зависимости от отстройки от несущей частоты 100 МГц, принципиальная схема которого соответствует Фиг. 2.
Измерения проводились на измерителе фазовых шумов PNA40 фирмы AnaPico (Швейцария). Гарантированный фирмой уровень собственных шумов этого прибора составляет -183 дБн/Гц при отстройке 10 кГц и менее -190 дБн/Гц при отстройке 100 кГц и более от несущей частоты 100 МГц после 100 корреляций.
При этом весьма существенным оказался вклад индустриальных и радиочастотных помех, что хорошо видно на отстройке в районе 1 МГц и выше.
В таблице 1 приведены сравнительные данные ФШ описываемого генератора и ультрамалошумящего генератора фирмы «Pascall» (Англия) - ведущего производителя кварцевых генераторов такого уровня с рекордно низким ФШ.
Таблица 1
Отстройка от несущей частоты
Уровень фазовых шумов, дБн/Гц
Генератор фирмы PASCALL
Заявляемый генератор
100 Гц
-137
-138
1 кГц
-164
-163,6
10 кГц
-178
-181
100 кГц
-182
-188