Лекция 22 (1085002), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

В установившемся режиме АГ амплитуда выходных колебаний

(*)

Обратим внимание, что из (*), если учесть , а , вытекает условие баланса амплитуд АГ (см. лекцию 19).

В процессе работы АГ может изменяться средняя крутизна S_СР и амплитуда управляющего напряжения U_{М УПР}. Эквивалентное сопротивление нагрузки Z_oe от уровня автоколебаний не зависит.

Изменение амплитуды установившихся автоколебаний можно определить следующим выражением:

Очевидно, при устойчивой амплитуде последнее выражение должно быть равно нулю.

Согласно (*)

.

Соответственно,

откуда следует

Так как S_СР > 0, U_{М УПР} > 0, то из последнего соотношения следует, что в точке устойчивого режима должно быть

Последнее условие известно как условие устойчивости амплитуды автоколебаний АГ и означает, что с увеличением амплитуды управляющего напряжения средняя крутизна выходного тока АЭ АГ должна уменьшаться и, наоборот, с уменьшением амплитуды управляющего напряжения средняя крутизна выходного тока должна возрастать.

Кварцевая стабилизация частоты

Итак, чем выше добротность и чем стабильнее параметры колебательной системы АГ, тем стабильнее будет частота получаемых автоколебаний. Более стабильными параметрами и значительно более высокой добротностью по сравнению с обычными колебательными контурами обладают кварцевые резонаторы. Причём, если в отношении стабильности параметров обычные колебательные контуры не сильно уступают кварцевым резонаторам, то их добротность (порядка нескольких сотен, в лучшем случае) значительно ниже добротности кварцевых резонаторов, достигающей величины до (1…10)·10⁵ и даже несколько выше. У специальных кварцевых резонаторов величина добротности достигает (3…6)∙10⁶. АГ с кварцевыми резонаторами в качестве элементов колебательной системы носят название кварцевых автогенераторов (КАГ). Применение кварцевых резонаторов в АГ позволяет относительно легко обеспечить относительную нестабильность частоты автоколебаний порядка ±1·10^-5, а при использовании некоторых дополнительных мер, например, термостатирования, нестабильность частоты может быть доведена до величины ±1·10^-7 и даже до ±1·10^-8 и выше.

В современных радиопередающих устройствах КАГ находят очень широкое применение, особенно в тех случаях, когда к стабильности частоты генерируемых колебаний предъявляются весьма жёсткие требования.

КАГ могут быть построены как на электронных лампах, так и на транзисторах. При этом ламповые АГ можно считать более стабильными, чем транзисторные, так как транзисторы имеют более низкую температурную и режимную стабильность, а также значительный разброс параметров. Однако практически часто транзисторные АГ по стабильности частоты не уступают ламповым, а по другим показателям значительно превосходят их. К таким показателям относятся, например, габариты, надёжность и долговечность, устойчивость к ускорениям и ударо-вибрационным нагрузкам.³

Основное дестабилизирующее влияние на частоту КАГ оказывает изменение температуры окружающей среды. Поэтому все достаточно высокостабильные КАГ термостатируются.

В зависимости от величины нестабильности частоты КАГ можно разделить на три вида.

1. КАГ общего применения с нестабильностью частоты ±10^-4…10^-5. Такие КАГ не термостатируются и нестабильность их частоты во многом зависит от изменения внешней температуры. Точность установки рабочей частоты у таких КАГ обычно не превышает ±5·10^-6.

2. Опорные КАГ с нестабильностью частоты ±10^-6…10^-7. При этом обязательно применяется термостатирование, причём точность поддержания температуры в термостате не хуже ±0,5⁰С. В таких КАГ используются специальные, тщательно проверенные схемы в весьма облегчённом режиме работы. Точность установки частоты должна быть весьма высока, поэтому используются кварцевые пластины достаточно больших размеров. Частота опорных КАГ обычно не превышает 5 МГц.

КАГ первого и второго видов широко применяются в радиопередающих устройствах.

3. Эталонные КАГ с нестабильностью частоты ±10^-8…10^-9. Такие КАГ используются только в специальных радиопередающих устройствах и измерительной аппаратуре в качестве первичного эталона частоты.

Основным требованием к КАГ является стабильность частоты автоколебаний. Поэтому колебательная мощность КАГ обычно невелика и не превышает 20…30 мВт. При малой мощности КАГ не только уменьшается разогрев элементов колебательной системы, но и упрощается и облегчается его термостатирование. Если требования к стабильности частоты автоколебаний не очень высокие, то колебательная мощность КАГ может быть доведена до 300…500 мВт. При больших уровнях мощности кварцевая пластина не выдерживает механических деформаций и разрушается.

Эквивалентная схема и параметры кварцевого резонатора

Кварц (двуокись кремния SiO₂) встречается в природном состоянии в виде кристаллов горного хрусталя, но в связи с обеднением естественных месторождений в настоящее время в радиотехнике используются изделия из искусственного выращенных кристаллов. Природные или искусственные кристаллы кварца имеют форму шестигранной призмы, ограниченной сверху и снизу шестигранными пирамидами (рис.22.3). Прямая, соединяющая вершины пирамид, называется оптической осью (ZZ ^/ ). Поворот кристалла кварца вокруг этой оси на любой угол не оказывает никакого влияния на распространение света вдоль неё. На поперечном сечении шестигранной призмы кристалла выделяют три пары взаимно-перпендикулярных осей: электрических (ХХ ^/ ) и механических (YY ^/ ). Из кристалла кварца вырезают пластины в виде параллелепипедов, линз или продолговатых брусков, ориентированных определённым образом о тносительно его осей. Противоположные грани пластины металлизируют, нанося тонкий слой (до 10^-4 мм) алюминия, серебра или золота. К металлизации присоединяют электрические контакты из специальных пружин-кварцедержате-лей. Иногда с целью уменьшения потерь оставляют небольшой зазор между держателями и гранями пластины. Для предохранения всей конструкции от внешних воздействий её помещают в пластмассовый, стеклянный или металлический баллон. Внутри баллона нередко создаётся вакуум, что позволяет резко снизить потери, обусловленные трением о воздух. Возможно заполнение баллона водородом, что облегчает отвод тепла от пластины. Конструктивная совокупность из кварцевой пластины, кварцедержателей и баллона получила название кварцевого резонатора (КвР).

Кварц относится к числу кристаллов, обладающих свойствами прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта. Если сжать пластину кварца вдоль механической или электрической оси, то на перпендикулярной паре граней возникнут заряды противоположного знака (прямой пьезоэффект). Если же к параллельной паре граней приложить электрическое напряжение, то вдоль перпендикулярных осей возникнет механическая деформация пластины (обратный пьезоэффект). Помещённая в электрическое поле высокой частоты, кварцевая пластина испытывает периодические механические деформации благодаря явлению обратного пьезоэффекта, что в свою очередь вызывает появление электрических зарядов на её гранях благодаря явлению прямого пьезоэффекта. Таким образом, пластина кварца претерпевает периодические механические деформации, обусловливающие периодические изменения зарядов на её гранях и, как следствие, протекание через пластину тока смещения. Как всякий упругий механический элемент, кварцевая пластина имеет одну или несколько резонансных частот, интенсивность колебаний на которых наибольшая. Резонансная длина волны (частота) определяется тем линейным размером, вдоль которого укладывается одна полуволна механического колебания. Помимо основной собственной частоты (одной полуволны) в упругом теле пластины возможно возникновение колебаний высших типов (обертонов), частоты которых кратны основной, то есть вдоль линейного размера укладывается несколько стоячих полуволн. Использование одной из таких гармоник нередко является единственной возможностью получения высокостабильных электрических колебаний на частотах в сотни мегагерц. При конструировании КвР, предназначенного для работы на высшей гармонике (так называемого гармоникового кварца), принимаются все меры, позволяющие повысить уровень именно этого колебания. Гармониковые кварцы позволяют стабилизировать частоты АГ вплоть до 200 МГц. Поскольку кварцевая пластина представляет собою трёхмерное тело, то принципиально возможно возникновение множества других деформаций, которые не являются основными. Соответствующие им частоты называются паразитными. Поэтому при изготовлении КвР стремятся так подобрать форму пластины, способ её крепления и вид деформации, чтобы максимально ослабить паразитные колебания. КвР, у которых основная и паразитная частоты колебаний близки, носят название многоволнистых. Свойством пьезоэффекта обладают кристаллы более 100 веществ, но наиболее стабильны параметры у кварца, чем и объясняется его широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре.

Наименьшие размеры кварцевой пластины, которые могут быть получены в производственных условиях, соответствуют основной частоте 15 – 20 МГц. Толщина пластины при этом не превышает 0,1 мм.

Если собрать электрическую цепь, представленную на рис.22.4, включающую в себя источник высокочастотного сигнала Е(ω), частота которого может изменяться, КвР, амперметр A и вольтметр U для измерения тока через КвР и напряжения на нём, и пронаблюдать изменение тока и напряжения от частоты и фазовый сдвиг между током и напряжением, то оказывается, что КвР в соответствие может быть поставлена эквивалентная электрическая схема рис.22.5.

Параметры эквивалентной электрической схемы КвР (рис.22.5): L_К – динамическая индуктивность кварцевой пластины (обычно говорят: динамическая индуктивность кварца, характеризующая инерционные свойства пластины); С_К – динамическая ёмкость кварцевой пластины (динамическая ёмкость кварца, характеризующая упругие свойства пластины); r_К – динамическое сопротивление кварцевой пластины (сопротивление потерь кварца, характеризующее потери энергии на внутреннее трение в пластине и образование ультразвуковых волн в окружающем пространстве); С₀ – статическая ёмкость КвР, то есть ёмкость конденсатора с диэлектриком кварцем. Определяется только углом среза, формой и размерами кварцевой пластины. При подключении КвР к схеме в состав С₀ также будут входить межэлектродная и монтажная ёмкости. Сопротивление R обусловлено активной проводимостью кварца и кварцедержателя, включая проводимость крепления в баллоне. В схеме добавляется проводимость, обусловливаемая утечкой тока между электродами прибора, к которому подключается КвР. При хорошей конструкции кварцедержателя сопротивление R велико и его обычно не учитывают.

Динамические параметры КвР (кварца) обусловлены явлением пьезоэффекта, поэтому ветвь из L_К, С_К, r_К носит название пьезоэлектрической ветви. Значения L_К обычно в пределах от десятых долей до единиц генри, а значения С_К в пределах от сотых до десятых долей пикофарад. Сопротивление потерь r_К составляет десятки – сотни Ом. Статическая ёмкость КвР С₀ обычно в пределах 2…8 пФ. Часто считают С_К /С₀ = 10^-4…10^-2.

Характеристики

Список файлов лекций