Особенности кварцевой стабилизации частоты генераторов

Несмотря на все перечисленные в предыдущей главе меры увеличения стабильности гетеродинов трудно получить относительную стабильность частоты выше значения 10^-3 ... 10^-4. Эта нестабильность приводит к уходу частоты настройки радиоприемного устройства на частоте 100 МГц на 100 ... 10 кГц. Это значение превышает ширину частотного канала современных систем мобильной связи. На более высоких частотах положение с абсолютным уходом частоты в зависимости от температуры еще больше ухудшается.

Поэтому велись работы по увеличению стабильности частотозадающих элементов. В результате удалось получить стабильность на два порядка выше при применении в качестве частотозадающих элементов генераторы кварцевых резонаторов. При этом можно обеспечить относительную стабильность частоты генератора от 10^-5 до 10^-8.

Кварцевые резонаторы

Кварцевый резонатор применяется в гетеродинах радиоприемников в качестве частотозадающего колебательного резонансного LC контура. Благодаря малым потерям энергии в данном резонаторе удается достигнуть добротности порядка нескольких тысяч.

Рассмотрим, как устроены кварцевые резонаторы, и на каких принципах они работают. Кварцевые кристаллы известны в природе как горный хрусталь, аметист или раухтопаз. В качестве примера на рисунке 1 приведена фотография друзы кристаллов раухтопаза.

Рисунок 1. Внешний вид кварцевых кристаллов

Добываются природные кристаллы кварца в основном на рудниках Бразилии. Природные кристаллы кварца содержат в себе большое число неоднородностей. Кроме того, они дороги, поэтому в настоящее время в основном применяются искусственно выращенные кристаллы кварца. Кварцевые кристаллы выращиваются из щелочных растворов в автоклавах при температуре 400 C° и давлении около 2000 атм. Процесс выращивания кристалла длится от 30 до 45 дней.

Особенностью кристалла кварца является то, что он обладает пьезоэффектом. Пьезоэффект обуславливается особым строением кристалла кварца. Он представляет собой правильную шестиугольную призму. Схематически расположение ионов кислорода и кремния в кристалле кварца изображено на рисунке 2.

Рисунок 2. Расположение ионов кислорода и кремния в кристалле кварца

В кристалле явным образом наблюдается электрическая ось x и механическая ось y. При сжатии кристалла вдоль механической оси y ионы отрицательные кислорода вытесняются с одной стороны, а положительные ионы кремния с другой. В результате возникает разность потенциалов. Сжатие или растяжение по оси Z не вызывает появления зарядов на гранях. Поэтому ось Z называется оптической.

Благодаря симметричности кристалла кварца механическую и электрическую оси можно провести тремя разными способами. Эффект при этом не изменится. На рисунке 3 показано, как нужно вырезать пластинку из кристалла кварца для того, чтобы на ее краях возникала разность потенциалов.

Рисунок 3. Как вырезается пьезоэлектрическая пластинка из кварцевого кристалла

Срез, показанный на рисунке 3, получил название XT-срез. Изменение размеров XT среза кварцевой пластинки при прикладывании разности потенциалов к ее поверхности приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Изменение размеров XT-среза кварцевой пластинки при прикладывании разности потенциалов к ее поверхности

XT-срез применяется для изготовления низкочастотных кварцевых резонаторов. Например, часовых резонаторов на частоту 32768 кГц. Чертеж часового кварцевого резонатора приведен на рисунке 5. Он выполнен в виде вилки камертона. Эта форма, как и в музыкальной технике, позволяет получить очень высокую добротность резонатора

Рисунок 5. Чертеж камертонной вилки часового кварцевого резонатора

Форма колебаний плеч камертона часового кварцевого резонатора приведена на рисунке 6.

колебания плеч камертонной вилки часового резонатора

Рисунок 6. Колебания плеч часового кварцевого резонатора

Фотография часового кварцевого резонатора со снятым защитным корпусом приведена на рисунке 7.

Внешний вид часового резонатора 32768 кГц

Рисунок 7. Внешний вид часового кварцевого резонатора

Следует заметить, что подобный срез кварцевой пластинки не позволяет получить высокую стабильность частоты колебаний. На рисунке 8 приведена типовая зависимость отклонения частоты кварцевого резонатора XT-среза от температуры окружающей среды.

Зависимость ухода частоты кварцевого резонатора от температуры для XT-среза

Рисунок 8. Зависимость ухода резонансной частоты от температуры для XT-среза кварцевой пластинки

Как видно из этого графика, при изменении температуры от –25°С до +75°С, частота уходит на 80 миллионных (ppm). Это соответствует стабильности частоты 10^–4, что вполне достаточно для работы наручных часов, синхронизации микропроцессоров, но слишком мало для стабилизации несущей частоты приемопередатчиков.

Намного лучшими характеристиками обладает AT-срез кристалла кварца. В отличие от XT-среза, в AT-срезе пластинка вырезается под углом к механической оси Z. Его значение составляет 35°15' (на частотах выше 10 МГц угол среза будет уже 35°18'). Поэтому в пластинке при прикладывании переменного напряжения формируется сдвиг по толщине, как это показано на рисунке 9.

Рисунок 9. Сдвиг поверхностей AT-среза кварцевой пластинки при прикладывании к ним разности потенциалов

В AT резонаторе его резонансная частота зависит от толщины пластинки. Толщина кварцевой пластинки определяется как 1,661 мм/(частота в МГц). Пластинку можно вырезать в виде полоски и разместить в таком же корпусе, как и часовой кварц.

Рисунок 10. Внешний вид малогабаритного кварцевого резонатора с AT-срезом

Однако для уменьшения потерь и исключения паразитных колебаний на нежелательных частотах (а именно это и требуется в гетеродинах радиоприемников и возбудителях передатчиков), форму пластинки делают в виде диска или линзы. Внешний вид кварцевого резонатора с AT-срезом пластинки приведен на рисунке 11.

Внутреннее устройство кварцевого резонатора

Рисунок 11. Внешний вид кварцевого резонатора с AT-срезом

На рисунке 12 приведены типовые зависимости отклонения частоты кварцевого резонатора AT-среза от температуры окружающей среды при различных отклонениях угла среза от оптимального значения 35°15'.

Зависимость ухода частоты от температуры при разных углах среза

Рисунок 12. Типовые температурные зависимости ухода частоты кварцевого резонатора AT-среза

Как видно из графика, при точном соблюдении угла среза кварцевого кристалла, в том же диапазоне температур уход частоты кварцевого резонатора не превышает ±10ppm. Это соответствует нестабильности частоты 10^–5.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора приведена на рисунке 13, а характеристика зависимости его сопротивления от частоты — на рисунке 14.

Рисунок 13 - эквивалентная схема кварцевого резонатора

Последовательные контура в данной эквивалентной схеме отображают основную частоту колебания пластинки, третью и, если нужно, то пятую гармонику основного колебания. Конденсатор C1 отображает емкость кварцедержателя.

Рисунок 14 - Зависимость сопротивления кварцевого резонатора от частоты

В диапазоне частот от последовательного резонанса (минимум сопротивления) до параллельного резонанса (максимум сопротивления) кварцевый резонатор обладает индуктивным сопротивлением. Одна из наиболее распространенных схем кварцевых генераторов, выполненная на биполярном транзисторе, приведена на рисунке 15.

Рисунок 15 - Схема кварцевого генератора на биполярном транзисторе

Это типичная схема Колпитца, в которой кварцевый резонатор Z1 применяется вместо катушки индуктивности.

Вместе со статьей "Особенности кварцевой стабилизации частоты генераторов" читают: