Кварцевый генератор

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве высокостабильного источника опорной частоты в составе экономической малогабаритной радиоэлектронной аппаратуры. Сущность изобретения состоит в том, что кварцевый генератор содержит транзисторы 1 - 5, дифференциальный каскад 6, источник тока 7, двухполюсный элемент с полым внутренним сопротивлением 8, кварцевый резонатор 9, токовые отражатели 10 и 11, что позволяет повысить стабильность частоты и КПД. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве высокостабильного источника опорной частоты в составе экономичной малогабаритной радиоэлектронной аппаратуры.

Известен кварцевый генератор (1), содержащий кварцевый резонатор, один вывод которого заземлен, а другой вывод через конденсатор подключен к внешнему выводу полупроводникового устройства с отрицательным сопротивлением, образованного первым и вторым усилительными транзисторами с перекрестными коллекторно-базовыми связями, осуществленными с помощью повторителей напряжения, выполненных на третьем и четвертом транзисторах.

Недостатком данного генератора является пониженная стабильность частоты, обусловленная сильной зависимостью эквивалентного отрицательного сопротивления в точках подключения кварцевого резонатора от параметров транзисторов.

Известен также кварцевый генератор (2), содержащий кварцевый резонатор, первый вывод которого заземлен, а второй вывод через конденсатор подключен к внешнему выводу активной части генератора, образованной дифференциальным каскадом на первом и втором транзисторах, охваченным цепью положительной обратной связи, выполненной на третьем, четвертом и пятом транзисторах.

Недостаток этого кварцевого генератора повышенная нестабильность частоты, обусловленная пропорциональностью эквивалентного отрицательного сопротивления активной части генератора крутизне транзисторов дифференциального каскада.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является кварцевый генератор (3), содержащий первый и второй транзисторы, базы которых соединены с базами соответственно третьего и четвертого транзисторов, эмиттеры которых соединены с неинвертирующим входом дифференциального каскада, инвертирующий вход которого соединен с эмиттерами первого и второго транзисторов и первым выводом кварцевого резонатора, коллектор третьего транзистора соединен с базой первого транзистора и выходом источника тока, коллекторы первого и второго транзисторов соединены с входами соответственно первого и второго токовых отражателей, первые выходы которых соединены и являются выходом кварцевого генератора, шина питания первого токового отражателя соединена с шиной питания, шина питания второго токового отражателя соединена с коллектором четвертого транзистора, вторым выводом кварцевого резонатора и общей шиной.

Недостатком данного кварцевого генератора является зависимость эквивалентного отрицательного сопротивления активной части генератора от эмиттерных сопротивлений первого и второго транзисторов. Это снижает стабильность частоты генерируемых колебаний, в особенности при уменьшении токов смещения транзисторов, что, в свою очередь, ограничивает КПД генератора.

Техническим результатом, достигаемым в кварцевом генераторе по данному изобретению, является повышение стабильности частоты и КПД.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая съема кварцевого генератора; на фиг. 2 распределение токов в схеме.

Кварцевый генератор содержит первый, второй, третий, четвертый и пятый транзисторы 1 5, дифференциальный каскад 6, источник тока 7, двухполюсный элемент с полным внутренним сопротивлением 8, кварцевый резонатор 9, первый и второй токовые отражатели 10 и 11.

Работу предлагаемого кварцевого генератора рассмотрим при следующих допущениях: транзисторы 1 и 3 идентичны, также идентичны транзисторы 2, 4, 5, дифференциальный каскад 6 состоит из двух одинаковых транзисторов, идентичных транзисторам 2, 4, 5, токи базы тразисторов пренебрежимо малы по сравнению с их коллекторными токами, транзисторы работают на частотах, много меньших граничной частоты их коэффициента передачи по току в схеме с общей базой.

Первоначально подаются напряжение питания и токи источником тока такой величины, чтобы вывести все транзисторы в активный режим. При этом эмиттерные токи транзисторов 1 4 устанавливаются равными току I₀₁ источника тока 7, эмиттерный ток транзистора 5 устанавливается равным A₂I₀₁, где A₂ коэффициент передачи токового отражателя 10 по второму выходу, эмиттерные токи транзисторов дифференциального каскада 6 устанавливаются равными половине тока I₀₂ эмиттерного источника тока этого каскада, и в генераторе возбуждаются колебания на частоте последовательного резонанса кварцевого резонатора. При этом ток кварца i_кв, поступающий на вход активной части кварцевого генератора, делится на ток i₁, втекающий в эмиттер транзистора 1 и поступающий далее на вход токового отражателя 10, и ток i₂, вытекающий в эмиттер транзистора 2 и далее поступающий на вход токового отражателя 11, т.е.

i_кв i₁ + i₂ (1) Токи i₁ и i₂ вызывают изменение базо-эмиттерных напряжений транзисторов 1 и 2, что приводит к появлению в дифференциальном каскаде 6 переменного тока i₃, который поступает с выхода этого каскада на двухполюсный элемент с полным внутренним сопротивлением 8.

Переменное напряжение на кварцевом резонаторе равно U_кв U_бэ2 + U_бэ5 i₃Z, (2) где U_бэ2, U_бэ5 переменные составляющие базо-эмиттерных напряжений транзисторов 2 и 5 соответственно; Z сопротивление двухполюсного элемента с полным внутренним сопротивлением 8.

Представляя значения базо-эмиттерных напряжений с помощью уравнения Эберса-Молла с точностью до величины обратного тока p-n-перехода, получим Сумма базо-эмиттерных напряжений транзисторов 1 и 2 равна сумме базо-эмиттерных напряжений транзисторов 3 и 4. Представив в этом равенстве базо-эмиттерные напряжения с помощью уравнения Эберса-Молла, получим Подставляя (4) в (3), находим, что U_кв определяется только током i₃ и сопротивлением двухполюсного элемента с полным внутренним сопротивлением 8
U_кв -i₃Z, (5)
то есть, в отличие от прототипа, не зависит от падения напряжений на базо-эмиттерных p-n-переходах транзисторов 1 и 2.

Решая систему уравнений (1), (4), найдем значения токов и i₂

Чтобы определить величину тока i₃, нужно выразить его через i₁ или i₂. Для этого просуммируем базо-эмиттерные напряжения (записав их значения с помощью уравнения Эберса-Молла) вдоль замкнутого контура, образованного базо-эмиттерными переходами транзисторов 1 и 3 и транзисторов дифференциального каскада 6. В результате получим следующее уравнение

Выражая i₃ через i₁ и подставляя значение последнего из (6), получим зависимость i₃ от i_кв, что позволяет записать уравнение вольт-амперной характеристики активной части предлагаемого кварцевого генератора

Отрицательное сопротивление активной части в точках подключения кварцевого резонатора равно

Выходной ток кварцевого генератора i_вых равен A₁i_кв, где A₁ коэффициент передачи токовых отражателей 10 и 11 по первому выходу.

Устранение зависимости эквивалентного отрицательного сопротивления активной части предлагаемого кварцевого генератора от нестабильных эмиттерных сопротивления транзисторов 1 и 2 позволяет повысить стабильность частоты генерируемых колебаний, а также дает возможность значительно уменьшить токи смещения транзисторов без уменьшения амплитуды колебаний, то есть повысить КПД.

Формула изобретения

Кварцевый генератор, содержащий первый и второй транзисторы, базы которых соединены с базами соответственно третьего и четвертого транзисторов, эмиттеры которых соединены с неинвертирующим входом дифференциального каскада, инвертирующий вход которого соединен с эмиттерами первого и второго транзисторов и первым выводом кварцевого резонатора, коллектор третьего транзистора соединен с базой первого транзистора и выходом источника тока, коллекторы первого и второго транзисторов соединены с входами соответственно первого и второго токовых отражателей, первые выходы которых соединены и являются выходом кварцевого генератора, шина питания первого токового отражателя соединена с шиной питания, шина питания второго токового отражателя соединена с коллектором четвертого транзистора, вторым выводом кварцевого резонатора и общей шиной, отличающийся тем, что введены двухполюсный элемент с полным внутренним сопротивлением и пятый транзистор, эмиттер которого соединен с базой второго транзистора и вторым выходом первого токового отражателя, база пятого транзистора соединена с первым выводом двухполюсного элемента с полным внутренним сопротивлением и выходом дифференциального каскада, коллектор пятого транзистора соединен с вторым выводом двухполюсного элемента с полным внутренним сопротивлением и общей шиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2