Кварцевый генератор

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (н)5 Н 03 В 5/36

Юарце/ы7

СГ7ЮР

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ

К ПАТЕНТУ (21) 4885262/09 (22) 26.11.90 (46) 15.12.92. Бюл, N. 46 (76) В.Г.Прокопенко (56) Авторское свидетельство СССР . М 1706002; кл. Н 03 В 5/36, 07,07.89. (54) КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР (57) Изобретение относйтся к радиотехнике и может использоваться в-качестве высокостабильного источника опорной частоты.

Целью изобретения является повышение . стабильности частоты при расширении диапазона изменения нагрузок. Кварцевый re Ы 1782333 АЗ нератор содержит первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы 1, 2, 3, 4, 5, 6, кварцевый резонатор (KP) 7, резистор 8, первый и второй отражатели тока 9, 10, первый и второй источники тока

11, 12. В кварцевом генераторе выходной сигнал пропорционален току КР, вольт-амперная характеристика активной части независимо от нестабильности параметров всех транзисторов, а первый и второй отражатели тока обеспечивают повышение стабильностй частоты за счет независимЬсти ее от изменения нагрузок, 2 ил.

1782333

Изобретение относится к радиотехнике тивной части определяется нескомпенсирои предназначенодляиспользования вкаче- ванными параметрами транзисторов и нестве высокостабильного источника опорной стабильна. что приводит к нестабильности частоты в составе экономичной малогаба- мощности рассеиваемой на пьезоэлементе ритной радиоэлектронной аппаратуры. 5 кварцевого резонатора, Низкая нагрузочная;

Известен кварцевый генератор, содер- способность данного генератора обусловжащий усилитель на первом транзисторе, ливает возможность работы генератора охваченном отрицательной обратной лишь на высокоомную нагрузку, т.е. диапасвяэью через первый транзистор обратной зон изменения нагрузок генератора огранисвязи, имеющий активную нагрузку, состо- 10 чен. ящую иэ второго транзистора, охваченного Цель изобретения — повышение ста отрицательной обратной связью через вто- бильности частоты при расширении диапарой транзистор обратной связи, и охвачен- зона изменения нагрузок. ный положительной обратной связью через Поставленная цель достигается тем, что кварцевый резонатор. 15 в кварцевый генератор, содержащий перНедостаток данного генератора — пони- вый транзистор, коллектор которого соедиженнаястабильностьчастоты,атак>кевысо- нен с первой шиной питания, второй кий уровень нелинейных искажений транзистор, эмиттер которого соединен с выходного сигнала.: . эмиттером первого транзистора, резистор, Известен также кварцевый гейератор, 20 первый вывод которого соединен с коллек-: содер>кащий первый и второй транзисторы, тором второго транзистора, третий охваченные положительной обратной:транзистор и кварцевый резонатор, связью с помощью третьего и четвертого первый вывод которого соединен с первой транзисторов обратной связи, при этом шиной питания, при этом первый и второй кварцевый резонатор одним выводом под- 25 транзисторы выполнены с одинаковым тиключен к общей шине; а другим=- через пом проводимости, третий транзистор вы- конденсатор — к эмйттеру первого транзи- . полнен с тийом проводимости, стора., .. противоположным типу проводимости перНедостатком этого кварцевого гейера- .. вого транзистора, дополнительно введены тора является повышенная температурная 30 четвертый, пятый и шестой транзисторы, и режимная нестабильность частоты вслед- первый и второй источники тока и первый и ствие пропорциональности напряжения пи- . второй отражатели тока, при этом эмиттер тания активйой части генератора и токов третьеготранзисторасоединенсбазойпер" смещения транзисторов напряжению пря-: ваго транзистора и эмиттером пятого транмосмещенного р-и-перехода. 35 зистора, база и коллектор которого

Наиболее близким потехнйческой сущ- соединены с коллектором второго транзиности к предлагаемому является кварцевый стора и с базой шестого транзистора, колгенератор, содержащий первый транзи- лекторкоторогосоединенсвходом первого стор, коллектор которого соединен с первой отражателя тока, эмиттер шестого транзи шиной питания, второй транзистор, амит- 40 стора соединен с вторым выводом кварцетер которого соединен с Эмиттером первого во го резонатора, базой второго транзистора, резистор, первый вывод кото- транзистора и с эмиттером четвертого транрого соединен с коллектором второго тран- зистора, база которого соединена с базой и зистора, третий транзистор и кварцевый коллектором третьего транзистора, коллекрезонатор, первый вывод которого соеди- 45 торчетвертоготранзисторасоединен с вхонен с первой шиной питания, при этом пер- дом второго отражателя тока, первый . вый и второй транзисторы выйолйены с йсточниктокавключенмеждувторойшиной одинаковым типом проводимости, третий питания и коллекторомтретьеготранзистотранзистор выполнен с типом проводимо- - ра, второй источник тока включен между стй, противоположным типу проводимости 50 второй шиной питания и эмиттером первого первого транзистора. .. транзистора, второй вывод резистора соеНедостатки этого кварцевого генерато- . динен с первой шиной, шины питания перра — пониженная стабильность частоты и - вого и второго отражателей тока малая нагрузочная способность. Нестa- подключены соответственно к первой и втобильность частоты обусловлена тем, что в 55 рой шинам питания, а выходы первого и данном генераторе стабилизировано лишь второго отражателей тока соединены и яв-.. малосигнальное значение эквивалентного ляются выходом кварцевого генератора, отрицательного сопротивления активнОй четвертый транзистор выполнен с типом части генератора, в области же orраничения проводимости, одинаковым с типом провосигналавольт-ампернаяхарактеристикаак- димости третьего транзистора, а пятый и

1782333 (2) (3) 0бэ2 цбэ1=0бэ4 0бэз, (4) 0бэ2 0бэ1=0бэб Обэб, шестой транзисторы выполнены с типом проводимости, одинаковым с типом проводимости первого транзистора, Сопоставительный анализ заявляемого технического решения, прототипа и аналогов показывает, что предлагаемый кварцевый генератор имеет следующие новые существенные признаки: активная часть генератора построена таким образом, что для управления усилительным дифференциальным каскадом на первом и втором транзисторах используются включенные параллельно по высокой частоте транзисторные пары на третьем-четвертом и пятом-шестом транзисторах; которые одновременно служат для замыкания цепи положительной обратной связи в активной части генератора. При этом коллекторные токи четвертого и шестого транзисторов суммируются на выходе генератора при помощи отражателей тока, Положительный эффект достигается эа счет того, что при указанном включении транзисторов формирование вольт-амперной характеристики активной части генера. тора осуществляется путем сравнения базо-эмиттерных напряжений согласованных по параметрам транзисторов, что обусловливает взаимную компенсацию нестабильности их параметров на всем рабочем участке вольт-амперной характеристики. За счет стабилизации вольт-амперной характеристики активной части генератора достигается повышение стабильности мощности и спектрального состава сигнала на кварце. Применение на выходе генератора отражателей тока позволяет улучшить спектральный состав выходного сигнала, т.к. на выход генератора поступает сигнал пропорциональный току .кварца, спектральный состав которого определяется частотно-избирательными свойствами кварцевого резонатора. При этом улучшается развязка генератора и нагрузки, а мощность выходного сигнала может быть увеличена увеличением коэффициента передачи токовых отражателей.

На фиг. 1 приведена электрическая схема кварцевого генератора; на фиг, 2 — распределение токов в схеме генератора при его работе.

Кварцевый генератор содержит первый

1, второй 2, третий 3, четвертый 4, пятый 5 и шестой 6 транзисторы, кварцевый резонатор 7, резистор 8, первый 9 и второй 10 отражатели тока, первый 11 и второй 12 источники тока.

Работу предлагаемого кварцевого генератора рассмотрим при следующих допущениях: транзисторы 1 и 2, 3 и 4, 5 и 6 идентичны, базовые токи транзисторов пренебрежимо малы по сравнению с их коллекторными токами, транзисторы работают на частотах много меньших f — граничной чэ5 стоты коэффициента передачи транзисторов по току в схеме с общей базой а .

Первоначально подаются напряжения на шины питания и токи источников тока такой величины, чтобы вывести все транэи10 сторы в активный режим. При этом эмиттерные токи транзисторов 3, 4, 5 и 6 устанавливаются равными току io1 источника тока 11, а эмиттерные токи транзисторов

1 и 2 равными половине тока 1о2 источника

15 тока 12, и в генераторе возбуждаются колебания на частоте последовательного резонанса кварцевого резонатора. При этом ток кварца i„, поступающий на вход активной части генератора (см. фиг. 2) делится на ток

20 l1, втекающий в эмиттер транзистора 6 и поступающий далее на вход отражателя тока 9, и ток l2, втекающий в змиттер транзистора 4 и далее поступающий на вход отражателя тока 10, т.е.;

В случае равенства коэффициента передачи отражателей тока выходной ток квар30 цевого генератора равен; где А — коэффициент передачи токовых от35 ражателей.

Токи i1 и i2 вызывают изменение базоэмиттерных напряжений транзисторов 6 и

4, что приводит к появлению переменного тока 1з в дифференциальном каскаде на

40 транзисторах 1 и 2, поступающего на резистор 8.

Определим значение тока 1з. Для этого просуммируем бэзо-эмиттерные напряжения по контуру, образованному транзисто45 рами 1,2,3 и 4 и по контуру, образованному транзистора50 ми1,2,6и5: где Ua>i — базо-эмиттерное напряжение i-го

55 транзистора.

Представив значения базо-эмиттерных напряжений транзисторов с помощью уравнения Эберса-Молла с точностью до значения обратного тока р-п-перехода, 1782333

+21з

=1 ——

2l з 101

1 ——

Im (5) 1 102 эо =

8 l oi

1+21з

1m (6) 1 — — 1+

21з 11

1m l 0

l 1 =10

1 1-—

21з

1 02

I 2 =101

1 ——

21 з

81 01i I m кв= 3 (8) 210 ) 45

55 преобразуем уравнения (3) и (4) к следующему виду: где уравнение (5) получено из (3), а (6) — из (4).

Соотношения (5) и (6) позволяют выразить i> и 12 через 1з

213

1 ——

I 02 1.1 +213

1 02 (7) откуда в соответствии с (1) получим; Преобразуем (8) так, чтобы представить

1з как функцию 1„: (э)

Напряжение высокой частоты на кварцевом резонаторе приближенно равно напряжению на резисторе 8, т.к. падением напряжений на низкоомных сопротивлениях эмиттера транзисторов 4 и 6 можно в сравнении с ним пренебречь. Таким образом, вольт-амперная характеристика активной части генератора описывается следующим выражением;

; 0 1 ь ((10) где R — сопротивление резистора 8.

Динамическое сопротивление активной части генератора равно: Л.1

35 .40

При этом его малосигнальное значение (при 1к — О) определяется следующим соотношением:

Из выражений (10), (11), (12) видно, что как малосигнальное значение отрицательного сопротивления, так и вольт-эмперная характеристика активной части генератора в целом, определяются только сопротивлением резистора 8 и токами источников тока

11 и 12 и не зависят от параметров транзисторов, Так как стабильность параметров резистора и источников постоянного тока значительно выше стабильности параметров транзисторов, то имеет место повышение стабильности мощности рассеиваемой на пьезоэлементе кварцевого резонатора, а также стабилизация спектрального состава сигнала на кварце, что приводит к повышению стабильности частоты предлагаемого кварцевого генератора.

Из выражения (2) видно, что выходной сигнал в кварцевом генераторе пропорционален току кварца, т.е. его спектральный состав определяется избирательностью кварцевого резонатора. При этом, увеличивая коэффициент передачи отражателей тока А, несложно получить значение выходного тока примерно на порядок превышающее величину тока кварца, причем максимально допустимая амплитуда напряжения на внешней нагрузке также имеет повышенное значение и равна приблизительно половине напряжения питания. Введение токовых отражателей, кроме этого, обеспечивает дополнительную развязку reнератора от цепей нагрузки, что повышает надежность его работы и расширяет диапазон изменения нагрузки.

Формула изобретения

Кварцевый генератор, содержащий первый транзистор, коллектор которого соединен с первой шиной питания, второй транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером первого транзистора, резистор, первый вывод которого соединен с коллектором второго транзистора, третий транзистор и.кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен с первой шиной питания, при этом первый и второй транзисторы выполнены с одинаковым типом проводимости, третий транзистор" выполнен с типом проводимости, противоположным типу проводимости первого транзистора, о т л и ч э юшийся тем, что, с целью повышения стабиль 10

1782333

Куце/ь!й Nнврааор

Составитель В.Прокопенко

Техред М.Моргентал Корректор M.Ìàêñèìèøèíåö

Редактор

Заказ 4292 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ности частоты при расширении диапазона изменения нагрузок, введены четвертый, пятый и шестой транзисторы, первый и второй источники тока и первый и второй отражатели тока, при этом эмиттер треть- 5

его транзистора соединен с базой первого транзистора и эмиттером пятого транзистора, база и коллектор которого соединены с коллектором второго транзистора и с базой шестого транзистора, коллек- 10 тор которого соединен с входом первого отражателя тока, эмиттер шестого транзистора соединен с вторым выводом кварцевого резонатора, базой .второго транзистора и с эмиттером четвертого 15 транзистора, база которого соединена с базой и коллектором третьего транзистора, коллектор четвертого транзистора соединен с входом второго отражателя тока, первый источник тока включен между второй шиной питания и коллектором третьего транзистора, второй источник тока — между второй шиной питания и эмиттером первого транзистора, второй вывод резистора соединен с первой шиной питания, шины питания первого и второго отражателей тока подключены соответственно к первой и второй шинам питания,.а выходы первого и второго отражателей тока соединены и являются выходом кварцевого генератора, четвертый транзистор выполнен с типом проводимости, одинаковым с типом проводимости третьего транзистора, а пятый и шестой транзисторы — с типом проводимости, одинаковым с типом проводимости первого транзистора.