ТЕРМОСТАТИРОВАННЫЙ КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР

Данная полезная модель относится к области радиоэлектроники и может использоваться в термостатированных кварцевых генераторах.
Известны термостатированные кварцевые генераторы (ТСКГ), содержащие кварцевый резонатор (КР), схему автогенератора, для возбуждения в КР механических колебаний и термостат для точного поддержания температуры КР и схемы автогенератора при изменениях окружающей температуры [Г.Б.Альтшуллер, Н.Н.Елфимов, В.Г.Шакулин, Кварцевые генераторы. Справочное пособие, М., Радио и связь, 1984, стр.116-118]. Существуют также ТСКГ, в которых система термостатирования размещена внутри вакуумированного объема КР и служит для поддержания температуры кварцевой пьезопластины (так называемые резонаторы-термостаты), при этом схема автогенератора расположена вне объема КР и не термостатируется [Г.Б.Альтшуллер, Н.Н.Елфимов, В.Г.Шакулин, Кварцевые генераторы. Справочное пособие, М., Радио и связь, 1984, стр.119-120].
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является ТСКГ, содержащий КР, выполненный из кварца двухповоротного Y-среза SC, который имеет ориентацию относительно осей кварца yxbl/22°00'-22°30'/33°30'-34°30', а также схему автогенератора для возбуждения в КР механических колебаний и термостат, расположенный внутри вакуумированного объема КР для поддержания температуры кварцевой пьезопластины [Вороховский Я.Л., Драхлис Б.Г., Кожемякин К.Г. «Прецизионные малошумящие кварцевые генераторы с малым временем установления частоты на резонаторах-термостатах срезов AT и SC», Электронная техника. Сер.5. Вып.3(76), С.49-53]. Такие ТСКГ при низкой потребляемой мощности и малых размерах обеспечивают сравнительно высокую температурную стабильность частоты при рабочих температурах термостата в диапазоне 60-85°С, благодаря пологой температурно-частотной характеристике (ТЧХ) КР среза SC, имеющей вид параболы 3-го порядка с экстремумами, расположенными симметрично относительно точки перегиба, находящейся на 92-95°С. Кроме того, благодаря применению кварцевой пьезопластины SC-среза, имеющей низкую чувствительность к термодинамическим эффектам, обусловленным микроколебаниями температуры термостата, в таких ТСКГ достигается высокая кратковременная стабильность частоты.
Недостатком таких ТСКГ является невозможность получения высокой стабильности частоты при рабочих температурах термостата в диапазоне 90-95°С, что требуется для работы ТСКГ в широком интервале окружающих температур, например, от -40 до +85°С. Это обусловлено тем, что в пластинах двухповоротных Y-срезов, имеющих ТЧХ в виде параболы 3-го порядка, температуры экстремумов, расположенных симметрично относительно точки перегиба, зависят от угловой ориентации пластины тем сильнее, чем ближе расположены экстремумы к точке перегиба. При приближении температур экстремумов к точке перегиба их зависимость от ориентации пластины стремится к бесконечности. Поэтому изготовление пластин SC-среза с экстремумами в диапазоне 90-95°С практически не реально из-за чрезмерно высоких требований к точности их угловой ориентации. В результате, настройка температуры термостата точно на экстремум ТЧХ в КР SC-среза не представляется возможной, что приводит к ухудшению температурной стабильности частоты ТСКГ.
Другим недостатком ТСКГ, содержащих КР SC-среза, является необходимость подавления в них побочного В-резонанса, имеющего активность выше, чем у основного С-резонанса и расположенного на 10% выше по частоте. При этом применение для подавления В-моды узкополосных селектирующих элементов (электрического колебательного контура, керамического или кристаллического фильтра), настроенных на частоту основного С-резонанса и имеющих значительную зависимость электрических параметров от температуры, заметно ухудшает температурную стабильность частоты ТСКГ, особенно при размещении схемы автогенератора вне термостата, как в случае ТСКГ, построенных на резонаторах-термостатах.
Целью данной полезной модели является повышение температурной стабильности частоты ТСКГ. Эта цель достигается тем, что в ТСКГ, содержащем КР, в вакуумированном корпусе которого размещена кварцевая пьезопластина двухповоротного Y-среза с нанесенными на нее пленочными возбуждающими электродами, а также автогенератор для возбуждения в кварцевой пьезопластине толщинно-сдвиговых колебаний и термостат для поддерживания температуры КР и схемы автогенератора или только кварцевой пьезопластины при размещении термостата в объеме КР, кварцевая пьезопластина имеет ориентацию относительно осей кварца yxbl/20°30'±30'/34°15'±30'. Изменение на 1-2° угла первого поворота кварцевой пьезопластины в полезной модели относительно ориентации SC-среза приводит к смещению точки перегиба до 80-85°С без существенного изменения формы ТЧХ. Это дает возможность изготавливать КР с экстремумами ТЧХ на 90-95°С при реально выполнимых требованиях к угловой ориентации кварцевой пьезопластины (около 30"). В результате, в полезной модели при работе ТСКГ в широком интервале окружающих температур рабочая температура термостата может быть точно настроена на температуру экстремума ТЧХ КР, что обеспечивает повышение температурной стабильности частоты ТСКГ. Кроме того, изменение на 1-2° угла первого поворота кварцевой пьезопластины среза yxbl/20°30'±30'/34°15'±30' по отношению к SC-срезу обеспечивает заметное снижение в КР активности побочной В-моды. Это позволяет исключить из схемы автогенератора узкополосные селектирующие элементы для подавления паразитной В-моды и тем самым дополнительно повысить температурную стабильность полезной модели по сравнению с прототипом. Термодинамическая устойчивость КР среза yxbl/20°30'±30'/34°15'±30', зависящая от угла первого поворота пластины, несколько уступает термодинамической устойчивости КР SC-среза, оставаясь достаточной для получения высокой кратковременной стабильности частоты ТСКГ, удовлетворяющей большинство практических применений.
Структурная схема предлагаемой полезной модели приведена на фиг.1 и фиг.2. Предлагаемая полезная модель содержит КР 1, в вакуумированном корпусе которого смонтирована кварцевая пьезопластина 2 с пленочными возбуждающими электродами 3, изготовленная из кварца двухповоротного среза yxbl/20°30'±30'/34°15'±30', а также автогенератор 4, соединенный с выводами КР 1 для возбуждения колебаний в кварцевой пьезопластине 2; КР 1 и автогенератор 4 расположены внутри термостата 5, который поддерживает их температуру при изменениях окружающей температуры (фиг.1). Термостат 5 может быть расположен внутри вакуумированного корпуса КР 1 для поддержания температуры только кварцевой пьезопластины 2 (фиг.2).
ТСКГ работает следующим образом. Автогенератор 4 возбуждает в кварцевой пьезопластине 2 при помощи пленочных электродов 3 толщинно-сдвиговые колебания на рабочем С-резонансе, который имеет активность несколько большую активности паразитной В-моды, благодаря применению двухповоротного среза кварцевой пьезопластины 2 yxbl/20°30'±30'/34°15'±30'. Это позволяет исключить из схемы автогенератора 4 селектирующие элементы для подавления паразитного В-резонанса и тем самым повысить температурную стабильность частоты ТСКГ, особенно при размещении автогенератора 3 вне объема термостата 5 (фиг.2). Рабочая температура термостата установлена точно на экстремум ТЧХ КР 1, температура которого выбором угловой ориентации кварцевой пьезопластины 2 может быть задана в широком диапазоне температур, в том числе в диапазоне 90-95°С, который используется при работе ТСКГ в широком интервале окружающей температуры. Точная настройка температуры термостата 5 на экстремум ТЧХ КР 1 обеспечивает высокую температурную стабильность частоты ТСКГ, в том числе при работе в широком интервале окружающей температуры.
Предлагаемая полезная модель ТСКГ реализована в серийно выпускаемых изделиях, содержащих кварцевый резонатор, в вакуумном объеме которого смонтирована кварцевая пьезопластина среза yxbl/20°30'±30'/34°15'±30' с нанесенными на нее пленочными возбуждающими электродами, а также систему термостатирования, расположенную в том же объеме КР и служащую для поддержания температуры кварцевой пьезопластины. Снаружи объема КР размещена схема автогенератора для возбуждения в КР резонансных колебаний, а также буферный усилитель для усиления маломощного сигнала автогенератора, стабилизатор напряжения и электронный корректор частоты. Рабочая температура термостата настраивается на экстремум ТЧХ КР, расположенный на температуре около 95°С, что обеспечивает работу ТСКГ в широком интервале температур от -40 до +85°С. В таблице приведены значения температурной стабильности частоты таких генераторов, работающих на частоте 10 МГц. Кроме того, в таблице приведена их кратковременная стабильность частоты за 1 секунду (вариация Аллана) в сравнении с кратковременной стабильностью частоты аналогичных ТСКГ, содержащих КР среза SC.
Таблица 1.
Характеристика ТСКГ
ТСКГ, содержащий КР среза SC
ТСКГ, содержащий КР среза yxbl/20°30'±3'/34°15'±30"
Температурная стабильность частоты в диапазоне (-40+85)°С
±1×10<sup>-7</sup>
±2×10<sup>-8</sup>
Кратковременная стабильность частоты (вариация Аллана) за 1 секунду
5×10<sup>-12</sup>
8×10<sup>-12</sup>
Как следует из приведенных в таблице 1 данных, температурная стабильность частоты предлагаемого в качестве полезной модели ТСКГ в диапазоне температур (от -40 до +85)°С в несколько раз выше, чем у ТСКГ с резонаторами SC-среза. Кратковременная стабильность частоты предлагаемых ТСКГ незначительно уступает кратковременной стабильности частоты ТСКГ с резонаторами SC-среза, оставаясь приемлемой для большинства практических применений.