Шахгильдян В.В. Радиопередающие устройства (3-е издание, 2003) (1095866), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Отм".тим, что изменение напряжения источников питания меняет режим работы транзистора, а значит, и фазу крутизны сэг Это, в свою очередь, также изменяет частоту автогенератора. Для повышения стабильности частоты автогенератора часто питающие напряжения транзистора стабилизируют. (4.3Я 1ке Яхвэ! 7$(В) совЕ = -(Е, — Е,)Л.т~г (4.36) Из (4.3Я и (4. 36) получаем уравнение, связывающее напряжение смещения Ев и постоянную составляющую коллекторного тока: Еке соей Е =Е'- —— (4.37) Еа Ее ф~ Еям+Ег Еа ам г га ! т ь Ея Рис.
4.8, Схема питания автогеиератора Рис. 4яе Опрсаепеиис сме- щения на базе транзистор- ного автогенератора 238 Совместное решение уравнений (4.34) и (4.37) позволяет при заданном угле отсечки й найти связь между Ея и 1ке. На рис. 4.9 показано графическое решение системы (4.34) и (4.37) для момента самовозбуждених (О = ! 80е) и стационарного режима (й с 90е). Точка Б соответствует режиму самовозбуждения, точка А — стационарному режиму. При этом переход автогенератора из режима покоя в стационарный режим сопровождается изменением постоянной составляющей коллекторного тока на величину М . Чтобы уменьшить изменение реактивных параметров транзистора йри изменении 1ке, стремятся рассчитывать цепи смещения таким образом, чтобы Мке было малым.
Это достигается включением в змитгерную цепь транзистора резистора Мз. Под действием дестабилизирующих факторов может также меняться ток базы Еяе (за счет сильной температурной зависимости коэффициента (3 ), а это, в свою очередь, означает, что в соответствии с (4.3Я изменяется напряжение смещения на базе транзистора. Для уменьшения этого влияния необходимо выполнить неравенство к|к Нц Ет) (( (1 ро)ЯЗ' (4.38) При этом в (4.33) второе слагаемое значительно меньше третьего, и, следовательно, автоматическое смещение за счет базового тока мало по сравнению с автосмещением за счет эмиттерного тока. На практике сопротивления резисторов Я, и Яз выбирают достаточно большими, чтобы обеспечить без дополнительных блокировочных элементов малое шунтирование высокочастотных цепей автогенератора.
В то же время должно выполняться соотношение (4.38). Отметим, что параллельно резистору Яз включают конденсатор С „, который уснешно реализует блокировочную функцию при выполнении соотношения (4.39) аСеа > 194сз. Значение емкости Се„слишком большим выбирать не рекомендуется, поскольку в этом случае возможно возникновение прерьаистой автогенерации. Действительно, если постоянная времени 21 С „велика, то при уменьшении амплитуды автоколебаний смещение на базе транзистора остается большим, а Я, — малой. Это, в свою очередь, приводит к тому, что условия самовозбуждения (Я, К>!/У ) не выполняются и колебания срываются. Смещение постепенно уменьшается, средняя крутизна растет, в результате чего опять возникают колебания.
Чтобы избежать прерывистой генерации, постоянная времени Т = Я С „выбирается меньше постоянной времени колебательной системы автогенератора 2Д/а, т. е. ЯзСеа «2Д/а, где яз — частота генерации. На рис. 4.10 для примера приведена полная схема транзисторного автогенератора, построенного по емкостной трехточечной схеме (схема Клаппа). Разделительный конденсатор С включен в индуктивную ветвь контура. При этом общая емкость контура С,е становится меньшей, чем при двух конденсаторах С, и С .
Для сохранения той же частоты автогенератора необходимо увеличивать индуктивность Е.. В результате характеристическое сопротивление контура 1) = зЕ/С растет и, следовательно, контур при сохранении тех же потерь г обладает большей добротностью. Это, в свою очередь, приводит к более высокой стабильности частоты автогенератора. рис. 4, Ю.
Полная стона транзисторного аатогансратора 239 4.5. АВТОГЕНЕРАТОРЫ С КВАРЦЕМ Ранее указывалось, что для создания стабильных автогенераторов необходимо использовать высокодобротные колебательные системы, обладающие стабильной резонансной частотой. На обычных Е,С-элементах удовлетворить эти требования оказывается сложно. Значительно лучшими свойствами обладают колебательные системы, изготовленные из материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, в частности кварцевые резонаторы.
Кварц представляет собой криспшлическую двуокись кремния. Для кварцевых резонаторов используют либо кристаллы естественного происхождения (горный хрусталь), либо кристаллы, синтезируемые искусственно. Добротность кварцевых резонаторов на несколько порядков превышает добротность обычных 2.С-контуров и достигает величины нескольких десятков тысяч и даже нескольких миллионов. В кварцевом резонаторе пластина кварца помещается между двумя металлическими обкладками, называемыми электродами. Крепление кварца происходит.с помощью кварцедержателей.
Природные или синтетические кристаллы кварца имеют форму шестигранной призмы, ограниченной сверху и снизу шестигранными пирамидами (рис. 4.! 1). Свойства кристалла зависят от направлений относительно главных кристаллографических осей: оптической УЛ', трех электрических ХХ' и трех механических г"У' (см.
рис. 4.11) (анизотропные свойства кристалла). Кварцевая пластина вырезается из кристалла под определенным углом относительно кристаллографических осей (оптической У, механической г' и электрической Х). По тому как ориентированы пластины кварца по отношению к осям Х и Г, различают прямые срезы, при которых ребра пластины параллельны оси Х или У (соответствующие срезы обозначаются Х или У), и косые срезы, при которых ребра не параллельны осям Х или г', а образуют с ними некоторые углы (рис. 4.12).
Вид среза определяет температурные характеристики резонаторов. Кварцевая пластина обладает пьезоэлектрическим эффектом, следова- г " я' 1 к Риа 411. Кристалл кварца .г ~ г 1' 240 Рие. 4.! 2. Срезы кварца тельно, под действием ВЧ напряжения, приложенного к металлическим обкладкам резонатора, возникают упругие механические колебания с очень малым декрементом затухания. При этом частота механических колебаний определяется геометрическими раэмерамн пластин н видом среза. Электроды кварца обычно изготовляют путем вжнгания слоя серебра в пластины кварца.
Кварцедержатслн выполняют из специальных пружин, припаянных к мсталлиэированному слою кварца. Пластины кварца вместе с кварцедержателем помещают в герметический баллон. В настоящее время, как правило, используются кварцевые пластины косых срезов с колебаниями сжатия-растяжсния по ширине (диапазон 50...500 кГц) и кварцевые пластины' срезов с колебаниями сдвига по толщине (диапазон выше 500 кГц).
Основная частота механических колебаний кварцевого резонатора при колебаниях сдвига по толщине определяется соотношением (4,40) где ззз = 1,7...3 МГц мм — частотный коэффициент, зависящий отерла; зз — толщина пластины, мм. Из (4.40) видно, что для повышения частоты механических колебаний необходимо уменьшить толщину пластины. Обычно нз-за технологических трудностей она не делается меньше О,1 мм, что обеспечивает частоту основных колебаний не выше! 7...30 МГц. При необходимости стабилизации более высоких частот используют механические гармоники кварцевого резонатора.
При этом возбуждение кварцевого резонатора возможно только на нечетных гармониках (и = 3,5,7 и т. д.), так как только в этом случае на обкладках резонатора образуются заряды про. тивоположного знака. Было установлено, что добротность кварцевого резонатора на третьей и пятой гармониках примерно такая же (или несколько выше), как 241 , на первой, а начиная с седьмой она снижается. Поскольку, как всякая электромеханическая система с распределенными постоянными, кварцевый резонатор имеет множество собственных частот, то всегда стремятся их разнести. Последнее достигается выбором типа среза пластины, ее геометрических размеров и обработкой поверхности кристаллов. Температурные свойства кварца характеризуются температурным коэффициентом частоты (ТКЧ).
Этот параметр характеризует изменение собственной частоты кварца при изменении температуры на !'. Величина и знак ТКЧ кварца зависят от типа среза и температуры. На рис. 4.13 для примера приведены температурные характеристики кварца для трех типов среза. Отметим, что при отрицательных температурах ТКЧ кварца резко возрастает; В ограниченных интервалах температур для косых срезов ТКЧ кварца близко к нулю (например, для среза АТ при температуре 50'), что позволяет, нспользуя термостат„ обеспечить оптимальныеусловиядляработыкварцевогорезонатора.Значениесобственной частоты кварцевого резонатора с течением времени изменяется (так называемое старение кварца). Например, согласно ГОСТУ для серийных кварцевых резонаторов с частотой свыше 800 кГц допустимый уход частоты за половину гарантийного срока работы (примерно 6000...7000 ч) не должен превышать НО з, а за весь гарантийный срок т2 10-'.
Старение кварцевого резонатора в значительной мере определяет реальную долговременную нестабильность частоты автогенератора с кварцем. Мощность, рассеиваемая на резонаторе й „, во многом определяет стабильность его собственной частоты. Обычно эта величина не превосходит нескольких милливатг (указывается в паспортных данных резонатора). В случае, когда мощность, рассеиваемая на резонаторе Р„„превышает допустимое значение Р„,, стабнльность собственной частоты кварцевого резонатора резко ухудшается из-за изменения струк гуры его кристаллической решетки и даже разрушения кристалла кварца.
Поведение кварца в электрцческой цепи характеризуется его эквивалентной схемой. Эквивалентная схема кварцевого резонатора вблизи его собственной частоты представлена на рис. 4.14. Емкость Се характеризует статическую емкость кварцедержателя (обычно 2...8 пФ), а Ь„„С„„г„, являются непосредственно динамическими параметрами кварца. Индуктивность кварца 2. характеризует инерционные свойства пластины (обычно от десятых долей до единиц генри), емкость С„, — упругие свойства пластины (значение ее от сотых до десятых долей пнкофарад), а сопротивление г — потери в резонаторе. 242 Рис.
4.13. Температурная зависимость час- тоты кварца Рис. 444. Зквивапситиая схема кварца а вторая (более высокая) — параллельному резонансу вам 1 = 4 с~с,. 'Гцсс,с,сс ° сз (4.42) Поскольку обычно С„/Се «1, то аа аз (1+ С„/2се). (4.43) Эквивалентное сопротнвленмекварцевого резонатора (сопротивление мевсду точкамн а — б на рва. 4,14) можно заллсать в следующей форме:, (4.44) где г = 1/[( 1 + Ьт )~ + ф (4,45) Х р г р 1Ь(1 таЬ) тв) (4.46) те а, Се~„,; Ь = (а, Еа,/г )(в/а, †'в,/в). Таким образом получаем последовательную схему замещения кварцевого резонатора (рнс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
