Автогенератор кварцевый: Разбираем кварцевый генератор и его крохотную интегральную схему / Хабр — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Разбираем кварцевый генератор и его крохотную интегральную схему / Хабр

Кварцевый генератор – важный электронный компонент, обеспечивающий очень точную генерацию тактовой частоты за небольшие деньги. Из-за пьезоэлектрического эффекта его электрические свойства меняются в процессе вибрации. Поскольку можно сделать кристалл, который будет вибрировать с определённой частотой, кварцевые генераторы очень полезны для множества применений. Появились они в 1920-х, и сначала обеспечивали точную генерацию волн для радиостанций. В 1970-м году произошла революция наручных часов, когда в них стали использовать кварцевые генераторы высокой точности. Компьютеры, от ENIAC 1940-х годов и до сей поры используют кварцевые генераторы для генерации тактовой частоты.

В современных ПК всё ещё используются кварцевые генераторы, но для получения многогигагерцовых тактовых частот применяются более сложные технологии. ПК использует кристалл с частотой гораздо меньшей, чем рабочая, и умножает её при помощи фазовой автоподстройки частоты.

Компьютеры часто используют кристалл на 14 318, поскольку эту частоту использовали в старых телевизорах, и такие кристаллы были недорогими и широко распространёнными.

Для того, чтобы кристалл вибрировал, его схеме требуются дополнительные компоненты. В 1970-х набрали популярность модульные кварцевые генераторы – в этих компактных и лёгких в использовании микросборках комбинировались сам кристалл, ИС и дискретные компоненты. Мне стало интересно, как работает один из таких модулей, поэтому я вскрыл один из них и провёл реверс-инжиниринг его чипа. В данном посте я расскажу, как он работает, и опишу крохотную КМОП-схему, им управляющую. Оказалось, что внутри модуля происходит больше интересного, чем можно было ожидать.

Модуль генератора

Я изучал модуль от карточки для IBM PC. Модуль находится в прямоугольном металлическом корпусе с 4-мя контактами, защищающем электронику от электрического шума (это Rasco Plus в прямоугольном корпусе справа на фото, а не квадратная ИС от IBM). Модуль генерирует сигнал в 4,7174 МГц, что следует из надписи на его корпусе.

Почему же карточка использует кристалл с такой необычной частотой — 4,7174 МГц? В 1970-х IBM 3270 был очень популярным терминалом с ЭЛТ. Терминалы соединялись коаксиальным кабелем и использовали протокол Interface Display System Standard, работавший с тактовой частотой в 2,3587 МГц. В конце 1980-х IBM производила интерфейсные карточки для подсоединения IBM PC к сети 3270. Мой кристалл как раз с одной из таких карточек (тип 56X4927), и частота кристалла равняется 4,7174 МГц – ровно в два раза больше, чем 2,3587 МГц.

Модуль кварцевого генератора находится справа внизу. Надпись на корпусе: Rasco Plus. 4.7174 MHZ, Motorola 1987. Квадратный модуль слева – это ИС от IBM.

Я вскрыл корпус модуля, чтобы посмотреть на его гибридную схему. Я ожидал увидеть там кварцевый кристалл, напоминающий драгоценный камень в шкатулке, однако обнаружил, что кварцевые генераторы используют очень тонкий кварцевый диск.

Я повредил его при вскрытии, поэтому у него не хватает кусочка справа вверху. Он виден в левой части фото – с двух сторон к нему подходят металлические электроды. Те, в свою очередь, соединяются с небольшими штырьками, на которых кристалл поднят над поверхностью корпуса, чтобы он мог свободно вибрировать.

Внутри корпуса кварцевого генератора – компоненты, закреплённые на керамической подложке. Они подсоединяются к схеме крохотной золотой проволочной разваркой. Конденсатор на 3 нФ и плёночный резистор на 10 Ом, расположенные на подложке методом поверхностного монтажа, отфильтровывают шум, поступающий от контакта питания.

Схема работы ИС

На фото ниже показан крохотный кристалл ИС под микроскопом. Размечены контактные площадки и основные функциональные блоки. Зелёно-коричневые участки – это кремний, формирующий ИС. Жёлтоватый металлический слой соединяет компоненты с ИС. Под металлом находится красноватый слой поликремния, где формируются транзисторы – но он практически полностью закрыт металлическим слоем. По краям чипа расположена проволочная разварка, подсоединённая к контактным площадкам, соединяющим чип с остальными частями модуля. Две площадки (select и disable) не подсоединены. Чип произведён компанией Motorola в 1986. По артикулу SC380003 информации я не нашёл.

Кристалл ИС с разметкой основных блоков. «FF» обозначает триггеры. «sel» – контактные площадки [select pads]. «cap» – площадки, подсоединённые к внутренним конденсаторам.

У ИС есть две задачи. Во-первых, её аналоговые компоненты заставляют кристалл колебаться. Во-вторых, её цифровые компоненты делят частоту на 1, 2, 4 или 8, и выдают сигнал тактовой частоты с большим током (делитель задаётся двумя контактами выбора на ИС).

Кварцевый генератор реализован по приведённой ниже схеме, которая называется «генератор Колпитца». Она сложнее обычной схемы кварцевого генератора. Суть в том, что кристалл и два конденсатора колеблются с заданной частотой. Однако колебания быстро затухли бы, если бы не поддерживающая обратная связь с поддерживающего транзистора.

Типичный кварцевый генератор строится по простой схеме под названием «генератор Пирса», в которой из кристалла и инвертера формируется цепь обратной связи. Два заземлённых конденсатора в середине делают её очень похожей на классический генератор Колпитца.

Не уверен, по какой причине разобранный мною кварцевый генератор использует более сложную схему, которая требует хитрого смещения напряжения.

В 1918 году Эдвин Колпитц, главный исследователь в компании Western Electric, изобрёл кварцевый генератор на катушке индуктивности и конденсаторе. Сегодня эта схема известна, как генератор Колпитца. Идея в том, что катушка индуктивности с конденсатором формируют «резонансный резервуар», колеблющийся с частотой, зависящей от характеристик компонентов. Можно представлять, что электричество в этом резервуаре как бы плещется туда и сюда между катушкой индуктивности и конденсаторами. Сами по себе колебания быстро затухли бы, поэтому для их подпитки используется усилитель. В оригинальном генераторе Колпитца усилителем была электронная лампа.

Позднее схемы перешли на транзисторы, но этот усилитель может быть операционным или другого типа. В других схемах конец заземляется, чтобы в середине шла обратная связь. Тогда конденсаторы ничего не инвертируют, поэтому используется не инвертирующий усилитель.

Упрощённая схема генератора Колпитца с базовыми компонентами.

Ключевая особенность генератора Колпитца заключается в двух конденсаторах, формирующих делитель напряжения. Поскольку они в середине заземлены, на двух концах у них будет напряжение противоположных значений: когда одно повышается, второе понижается. Усилитель берёт сигнал с одного конца, усиливает его, и подаёт на другой. Усилитель инвертирует сигнал, а конденсаторы дают второе инвертирование, так, что обратная связь усиливает оригинальный сигнал (обеспечивая фазовый сдвиг на 360°).

В 1923 году Джордж Вашингтон Пирс, профессор физики в Гарварде, заменил катушку индуктивности в генераторе Колпитца на кристалл. Благодаря этому генератор стал более точным, и его стали широко использовать в радиопередатчиках и других устройствах. Пирс запатентовал своё изобретение и заработал приличные деньги на таких компаниях, как RCA и AT&T. Наличие патентов привело к многолетним судебным тяжбам, дошедшим в итоге до Верховного суда.

Несколько десятилетий генератор Пирса было принято называть генератором Колпитца с кристаллом. В генераторе Пирса часто отсутствовали характерные конденсаторы, вместо которых использовалось паразитная ёмкость электронной лампы. Терминология постепенно менялась, и два разных типа кварцевых генератора начали называть генератором Колпитца (с конденсаторами) и генератором Пирса (без них).

Ещё одно изменение терминологии произошло в связи с тем, что генератор Колпитца, генератор Пирса и генератор Клаппа были топологически идентичными кварцевыми генераторами, отличавшимися только в том, какая часть схемы считалась землёй (коллектор, эмиттер или база соответственно). Все эти генераторы можно называть генераторами Колпитца, только с общим коллектором, общим эмиттером или общей базой.

Этот экскурс в историю я сделал с тем, чтобы показать, что в различных источниках эти генераторы называют по-разному, генераторами Колпитца или Пирса, причём противоречивым образом.

Тот генератор, что изучал я, можно назвать генератором Колпитца с общим стоком (по аналогии с общим коллектором). Также его можно назвать генератором Колпитца на основании расположения заземления. Но исторически его можно назвать генератором Пирса, поскольку он использует кристалл. Также он называется кварцевым генератором с одним контактом, поскольку только один контакт кристалла подсоединён к внешней схеме (другой заземлён).

Упрощённая схема генератора

Увеличение напряжения на кристалле включает транзистор, ток идёт в конденсаторы, увеличивая напряжение на них (и на кристалле). Уменьшение напряжения на кристалле выключает транзистор, сток тока (кружок со стрелкой) вытягивает ток из конденсаторов, уменьшая напряжение на кристалле. Таким образом, обратная связь с транзистора усиливает колебания кристалла, поддерживая их.

Цепи напряжения смещения и тока являются важной частью этой схемы. Напряжение смещения устанавливает вентиль транзистора где-то посередине между включённым и выключенным состоянием, поэтому колебания напряжения на кристалле включают его и выключают. Ток смещения находится посередине между значениями токов включённого и выключенного транзистора, поэтому ток, приходящий и уходящий из конденсаторов, сбалансирован (я упрощаю, говоря о включённых и выключенных состояниях – в реальности сигнал будет иметь синусоидальную форму).

Цепи напряжения смещения и тока – это умеренно сложные аналоговые схемы, состоящие из кучки транзисторов и нескольких резисторов. Подробно описывать их не буду, скажу лишь, что они используют цепи обратной связи для генерации нужных фиксированных значений напряжения и тока.

Значительную часть ИС занимают пять конденсаторов. На схеме один расположен сверху, три идут параллельно, формируя нижний конденсатор на схеме, а один стабилизирует цепь напряжения смещения. На фото кристалла ниже показан один из конденсаторов после растворения верхнего металлического слоя. Красные и зелёные участки – это поликремний, формирующий верхнюю пластину конденсатора вместе с металлическим слоем. Расположенный под поликремнием розоватый участок – вероятно, нитрид кремния, формирующий диэлектрический слой. Кремний с добавками, которого на фото не видно, формирует нижнюю пластину конденсатора.

Конденсатор на кристалле. Большой бледный квадрат слева – площадка для подсоединения проволочной разварки к ИС. Сложные структуры слева – фиксирующие диоды контактов. Похожие на клевер структуры справа – это транзисторы.

Интересно, что конденсаторы на чипе не соединяются вместе. Они подсоединены к трём площадкам, связанным между собой проволочной разваркой. Возможно, это придаёт схеме гибкость – ёмкость цепи можно изменить, удалив проводник, ведущий к конденсатору.

Цифровая схема

С правой части чипа находится цифровая схема делителя выходной частоты кристалла на 1, 2, 4 или 8. Благодаря ей один и тот же кристалл может выдавать четыре частоты. Делитель составлен из трёх триггеров, подключённых последовательно. Каждый делит входящий импульс пополам. Мультиплексор 4 к 1 выбирает между оригинальной частотой импульсов или выходом с одного из триггеров. Выбор осуществляется при помощи проводников, подходящих к двум площадкам для выбора с правой части кристалла. Итоговая частота фиксируется на этапе производства. Для декодирования контактов и генерации четырёх управляющих сигналов мультиплексору и триггерам используются четыре вентиля NAND вместе с инверторами.

Реализация логики КМОП

Кип построен на логике КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Она использует совместно работающие транзисторы двух типов, N-МОП и P-МОП. На диаграмме ниже показано устройство N-МОП транзистора. Транзистор можно считать переключателем между истоком и стоком, который контролирует вентиль. Исток и сток (зелёные) состоят из участков кремния с добавками, меняющими его полупроводниковые свойства – из N+ кремния. Вентиль сделан из особого кремния, поликремния, отделённого от кремниевой подложки очень тонким изолирующим слоем оксидным слоем. N-МОП транзистор включается, когда вентиль подтягивается вверх.

Структура N-МОП транзистора. Структура P-МОП транзистора похожа, однако участки кремния N- и P-типа меняются местами.

Строение P-МОП транзистора противоположно N-МОП: исток и сток состоят из P+ кремния, включённого в N кремний. Работает он тоже противоположно N-МОП транзистору: включается, когда вентиль подтягивается вниз. Обычно P-МОП транзисторы подтягивают сток вверх, а N-МОП – вниз. В КМОП транзисторы работают, дополняя друг друга, подтягивая выходной сигнал вверх или вниз по необходимости.

На диаграмме ниже показано, как в КМОП реализован вентиль NAND. Если на вход подать 0, соответствующий P-МОП транзистор (вверху) включится и притянет выход вверх. Если на оба входа подать 1, N-МОП транзистор (внизу) включится и подтянет выход вниз. Таким образом схема реализует функцию NAND.

На диаграмме ниже показано, как NAND-вентиль выглядит на кристалле. В отличие от изображений в учебниках, у реальных транзисторов бывает сложная, извилистая форма. С левой стороны находятся P-МОП транзистор, а с правой – N-МОП. Красноватые дорожки над кремнием – это поликремний, формирующий вентили. Большая часть кремния в подложке благодаря добавкам проводит ток, и выглядит чуть темнее непроводящего кремния без добавок с левого и правого краёв, а также в центре. Для изготовления этого фото металлический слой был вытравлен. Жёлтые линии обозначают места, где раньше были металлические проводники. Кружочки — это связи металлического слоя с нижними слоями, кремния или поликремния.

Как NAND-вентиль выглядит на кристалле

Транзистор на фото можно сопоставить со схемой NAND-вентиля. Посмотрите на сформированные поликремнием вентили транзистора, и на то, что они разделяют. От участка +5 есть дорожка к выходу через длинный P-МОП транзистор слева. Второй путь идёт через небольшой P-МОП транзистор в центре – это показывает, что транзисторы подключены параллельно. Каждый вентиль контролирует один из входов. Слева дорожка от земли к выходу должна пойти через оба концентрических N-МОП транзистора – они подключены последовательно.

В этой ИС также используется много транзисторов с кольцевыми вентилями. Эта необычная техника расположения элементов позволяет с большой плотностью разместить множество параллельных транзисторов. На фото ниже показано 16 транзисторов с кольцевыми вентилями. Похожие на клевер узоры медного цвета – это сток транзисторов, а снаружи находится исток. Металлический слой (тут он удалён) объединяет соответственно все истоки, вентили и стоки. Параллельные транзисторы работают как один большой. Параллельные транзисторы используются для подачи больших токов на выход. В схеме смещения вместе соединяются различное количество транзисторов (6, 16 или 40), чтобы получать нужное соотношение токов.

Передаточный вентиль

Ещё одна ключевая схема чипа – это передаточный вентиль. Он работает как переключатель, через который сигнал либо проходит, либо нет. На схеме ниже показано, как передаточный вентиль делается из двух транзисторов, N-МОП транзистора и P-МОП транзистора. Если по линии enable подаётся большое напряжение, включаются оба транзистора, и входной сигнал проходит на выход. Если напряжение низкое, они выключаются, блокируя сигнал. Справа показано условное обозначение передаточного вентиля на схемах.

Мультиплексор

Мультиплексор используется для выбора одного из четырёх тактовых сигналов. На диаграмме ниже показано, как мультиплексор реализован на основе передаточных вентилей. Мультиплексор принимает на вход четыре сигнала: A, B, C и D. Один из входов выбирается через активацию соответствующей линии выбора и её дополнения. Этот вход связывается через передаточный вентиль с выходом, а другие входы блокируются. Хотя мультиплексор можно построить и на стандартных логических вентилях, его реализация на передаточных вентилях получается эффективнее.

Мультиплексор 4 к 1 на основе передаточных вентилей

На схеме ниже показаны транзисторы, из которых состоит мультиплексор. Ко входам B и С подключено по паре транзисторов. Думаю, это сделано потому, что у пары транзисторов сопротивление получается половинным. Поскольку входы В и С предназначены для высокочастотных сигналов, пара транзистора позволяет уменьшить задержки и искажения.

На фото ниже показано, как мультиплексор реализован на кристалле физически. Лучше всего видно поликремниевые вентили. Металлический слой удалён. Металлические проводники шли вертикально, соединяя соответствующие сегменты транзисторов. Истоки и стоки соседних транзисторов объединены в единые участки, расположенные между вентилями. В верхнем прямоугольнике находятся N-МОП транзисторы, а в нижнем – P-МОП. Поскольку P-МОП транзисторы менее эффективны, нижний прямоугольник должен быть больше.

Триггер

На чипе есть три триггера, делящие тактовую частоту. Кварцевый генератор использует переключаемые триггеры, которые переключаются между 0 и 1 каждый раз, когда получают входящий импульс. Поскольку два входящих импульса дают один исходящий (0→1→0), триггер делит частоту пополам.

Триггер состоит из передаточных вентилей, инверторов и NAND-вентиля – см. схему ниже. Когда входящий тактовый сигнал равен 1, выход проходит через инвертор и первый передаточный вентиль в точку А. Когда входящий сигнал переключается на 0, открывается первый передаточный вентиль, и в точке А остаётся предыдущее значение. Тем временем закрывается второй передаточный вентиль, поэтому сигнал проходит через второй инвертор и передаточный вентиль в точку В. NAND-вентиль снова его инвертирует, в результате чего значение выхода меняется на противоположное. Второй цикл входящего сигнала тактовой частоты повторяет этот процесс, благодаря чему выход возвращается к изначальному значению. В итоге два цикла входящих сигналов дают один цикл выходящего сигнала, так что триггер делит частоту на 2.

У каждого триггера есть разрешающий вход. Если триггер для выбранного выхода не нужен, он отключается. К примеру, если выбирается режим деления на 2, используется только первый триггер, а два другие отключаются. Полагаю, это делается для уменьшения энергопотребления. Это не зависит от контакта отключения на модуле, который полностью блокирует выходящий сигнал. Это отключаемое свойство опционально; в данном модуле такой функции нет, а контакт отключения не подключен к ИС.

На схеме выше инвертеры и передаточные вентили показаны в виде отдельных структур. Однако в триггере используется интересная структура вентилей, комбинирующая инвертер и передаточный вентиль (слева) в единый вентиль (справа). Пара транзисторов, подключенных к data in, работают как инвертер. Однако если сигнал тактовой частоты нулевой, питание и земля блокируются, и вентиль не влияет на выход, сохраняя предыдущее напряжение. Так работает передаточный вентиль.

Комбинированные инвертер и передаточный вентиль

На фото ниже показано, как один из таких вентилей выполнен на кристалле. На фото видно металлический слой сверху. Под ним видно красноватые вентили из поликремния. Слева расположены два P-МОП транзистора в виде концентрических кругов. Справа находятся N-МОП транзисторы.

Заключение

Хотя модуль кварцевого генератора снаружи кажется простым, внутри него больше компонентов, чем можно было бы ожидать. Там находится не только кристалл кварца, но и дискретные компоненты, и крохотная ИС. В ИС скомбинированы конденсаторы, аналоговые цепи, обеспечивающие колебания, и цифровые цепи для выбора частоты. Можно выбрать одну из четырёх частот, изменяя проводку ИС на этапе производства.

Больше информации по кварцевым генераторам можно найти на сайтах EEVblog, electronupdate и WizardTim. Про генератор Колпитца можно посмотреть на Hackaday.

Закончу фотографией чипа после удаления слоёв металла и оксида, чтобы было видно кремний и поликремний. Больше всего выделяются крупные розоватые конденсаторы, однако можно рассмотреть и транзисторы.

Кликабельно

Тактовые или простые кварцевые генераторы

Тактовые кварцевые генераторы категории качества ОТК (приемка 1)

Кварцевые генераторы тактовые серии ГК1003-П (XO)
Кварцевый генератор ГК1003-П
Внешний вид	Диапазон частот (МГц)	Выходной сигнал	Напряжение питания (В)	Тип корпуса	Файл PDF
	1. ..125	КМОП (CMOS)	1,8В / 2,5В 3,3В / 5,0В	7,0×5,0×1,6 мм (SMD)
Кварцевый генератор ГК1003-П-01
	1…125	КМОП (CMOS)	1,8В / 2,5В 3,3 В / 5,0В	5,0×3,2×1,2 мм (SMD)

Кварцевые генераторы тактовые серии ГК1004П (XO)
Кварцевый генератор ГК1004П
Внешний вид	Диапазон частот (кГц)	Выходной сигнал	Напряжение питания (В)	Тип корпуса	Файл PDF
	32.768	КМОП (CMOS)	1,8В / 2,5В 3,3В / 5,0В	7,0×5,0×1,6 мм (SMD)
Кварцевый генератор ГК1004П-01
	32.768	КМОП (CMOS)	1,8В / 2,5В 3,3В / 5,0В	5,0×3,2×1,2 мм (SMD)

Кварцевые генераторы тактовые серии ГК1009П
Кварцевый генератор ГК1009П-01
Внешний вид	Диапазон частот (МГц)	Выходной сигнал	Напряжение питания (В)	Тип корпуса	Файл PDF
	8. ..250	КМОП (CMOS)	2,5В / 3,3В	7,0×5,0×1,6 мм (SMD)
Кварцевый генератор ГК1009П-02
	8…250	КМОП (CMOS)	2,5В / 3,3В	5,0×3,2×1,2 мм (SMD)

Кварцевые генераторы тактовые серии ГК1009П-Д
Кварцевый генератор ГК1009П-Д01
Внешний вид	Диапазон частот (МГц)	Выходной сигнал	Напряжение питания (В)	Тип корпуса	Файл PDF
	8…1500	ДС (LVDS)	2,5В / 3,3В	7,0×5,0×1,6 мм (SMD)
Кварцевый генератор ГК1009П-Д02
	8…1500	ДС (LVDS)	2,5В / 3,3В	5,0×3,2×1,2 мм (SMD)

Кварцевые генераторы тактовые серии ГК1009П-Е
Кварцевый генератор ГК1009П-Е01
Внешний вид	Диапазон частот (МГц)	Выходной сигнал	Напряжение питания (В)	Тип корпуса	Файл PDF
	8. ..1500	ПЭСЛ (LVPECL)	2,5В / 3,3В	7,0×5,0×1,6 мм (SMD)
Кварцевый генератор ГК1009П-Е02
	8…1500	ПЭСЛ (LVPECL)	2,5В / 3,3В	5,0×3,2×1,2 мм (SMD)

Кварцевые генераторы тактовые серии ГК1052-П (XO)
Кварцевый генератор ГК1052-П-02
Внешний вид	Диапазон частот (МГц)	Выходной сигнал	Напряжение питания (В)	Тип корпуса	Файл PDF
	0.0005…8	КМОП (CMOS)	3.3В / 5.0В	20,25×12,6×5,2 мм (DIL-14)
Кварцевый генератор ГК1052-П-03
	0.0005…8	КМОП (CMOS)	3.3В / 5.0В	12,6×12,6×5,2 мм (DIL-8)

Кварцевые генераторы тактовые серии ГК1053-С (XO)
Кварцевый генератор ГК1053-С-01
Внешний вид	Диапазон частот (МГц)	Выходной сигнал	Напряжение питания (В)	Тип корпуса	Файл PDF
	10. ..300	Синус (Sine Wave)	3.3В / 5.0В	20,25×12,6×5,2 мм (DIL-14)
Кварцевый генератор ГК1053-С-02
	10…300	Синус (Sine Wave)	3.3В / 5.0В	12,6×12,6×5,2 мм (DIL-8)

Кварцевые генераторы тактовые серии ГК1054-П (XO)
Кварцевый генератор ГК1054-П-02
Внешний вид	Диапазон частот (МГц)	Выходной сигнал	Напряжение питания (В)	Тип корпуса	Файл PDF
	2…100	КМОП (CMOS)	3.3В / 5.0В	20,25×12,6×5,2 мм (DIL-14)
Кварцевый генератор ГК1054-П-03
	2…100	КМОП (CMOS)	3.3В / 5.0В	12,6×12,6×5,2 мм (DIL-8)

Кварцевые генераторы тактовые серии ГК1055-П (XO)
Кварцевый генератор ГК1055-П-02
Внешний вид	Диапазон частот (МГц)	Выходной сигнал	Напряжение питания (В)	Тип корпуса	Файл PDF
	2. ..100	КМОП (CMOS)	3.3В / 5.0В	20,25×12,6×5,2 мм (DIL-14)
Кварцевый генератор ГК1055-П-03
	2…100	КМОП (CMOS)	3.3В / 5.0В	12,6×12,6×5,2 мм (DIL-8)

Тактовые кварцевые генераторы категории качества ВП (приемка 5)

Кварцевые генераторы тактовые серии ГК1056-П (XO)
Кварцевый генератор ГК1056-П-02
Внешний вид	Диапазон частот (МГц)	Выходной сигнал	Напряжение питания (В)	Тип корпуса	PDF файлы
	0.03125…100	КМОП (CMOS)	3,3 В / 5,0 В	20,25×12,6×5,2 мм (DIL-14)
Кварцевый генератор ГК1056-П-03
	0.03125…100	КМОП (CMOS)	3,3 В / 5,0 В	12,6×12,6×5,2 мм (DIL-8)

Кварцевые генераторы тактовые серии ГК1001-П (XO)
Внешний вид	Диапазон частот (МГц)	Выходной сигнал	Напряжение питания (В)	Тип корпуса	PDF файл
	1. ..125	КМОП (CMOS)	3,3 В / 5,0 В	7,0×5,0×1,6 мм (SMD)

Magic Xtal Ltd. development and production of OCXO, кварцевый генератор , опорный генератор, опорный кварцевый генератор, малошумящий генератор, термостатированный генератор, термостатированный кварцевый генератор, миниатюрный генератор, миниатюрный кварцевый генератор, миниатюрный термостатированный кварцевый генератор, кварцевый резонатор, низкий фазовый шум, crystal oscillator, crystal oscillators, oven control crystal oscillator (OCXO), oven control crystal oscillators (OCXOs), miniature OCXO, ultra-stable OCXO, low phase-noise OCXO, high stability OCXO, high frequency OCXO, vacuum-sealed miniature OCXO, vacuum-sealed OCXO, crystals, crystal, Новости

MAGIC XTAL

Отмечает двадцатилетие.

ExpoElectronica 2021

Мэджик Кристалл

участвовала в 23 международной выставке ExpoElectronica 2021

Expo 2021
23-я Международная выставка электронных компонентов, модулей и комплектующих.
13-15 Апреля 2021
МОСКВА, КРОКУС ЭКСПО
Наш стенд B9021

ExpoElectronica 2019
22-я Международная выставка электронных компонентов, модулей и комплектующих.
Павильон 3,
зал 13, стенд А740

Лучший экспортер 2017

Компания ООО «Мэджик Кристалл» стала победителем конкурса Лучший экспортер Омской области по итогам 2017 года.

EMW 2018
Компания «Мэджик Кристалл» на выставке European Microwave Week 2018 в Мадриде, Испания. Выражаем искреннюю благодарность ЦПЭ Омской области…

EXPO2018
21-я Международная выставка электронных компонентов, модулей и комплектующих. 17–19 АПРЕЛЯ 2018 Москва, Крокус Экспо Стенд Д715

Лучший Экспортер 2016

Компания ООО «Мэджик Кристалл» стала победителем конкурса Лучший экспортер Омской области по итогам 2016 года.

EFTF
10-14 июля 2017 в Безансоне, Франция. «Мэджик Кристалл» — участник Объединенного Международного Симпозиума по стабилизации частоты и Европейского Форума по Частоте и Времени (IFCS & EFTF 2017). Тема доклада «Extraordinary OCXO Solutions Based on Advanced IHR Technology»

EUROPEAN MICROWAVE WEEK 2017

Нюрнбергский конференц-центр, Нюрнберг, Германия
8-9 октября 2017 года

Посетите наш стенд — 272.

25-27 апреля 2017, Москва, Крокус-Экспо
20-я Международная выставка электронных компонентов, модулей
и комплектующих.

Наш стенд — А157.

Electronica 2016

Посетите наш стенд на выставке ELECTRONICA 2016 Hall B5, Booth 112

Expo Electronica 2016

С 15 по 17 марта 2016 года в Москве, в МВЦ «Крокус Экспо» пройдёт 19-я Международная выставка электронных компонентов, модулей и комплектующих «ЭкспоЭлектроника». Организатором выступила международная выставочная компания «ПРИМЭКСПО», входящая в Группу компаний ITE. Наш стенд B745.

Начато производство генераторов серии МХОС-Н

Начато производство высокостабильных кварцевых генераторов серии МХОС-Н, предназначенных для работы в условиях высокой окружающей температуры (до 130°С) и жестких механических воздействий – удар до 500 g, вибрация 0-2000 Гц, 10 g, обеспечивая низкое старение – до 3х10-10/сутки и высокую температурную стабильность — до 1х10-8. Генераторы изготавливаются на частоты от 8 до 100 МГц, в стандартных корпусах 20х20х12.0 мм, 25х25х12.6 мм, 27х36х12 мм и могут применяться в нефтедобывающем оборудовании, а также различных устройствах для геологических и геофизических исследований.

INTERNATIONAL MICROWAVW SYMPOSIUM

Продукция ООО “Мэджик Кристалл” будет представлена на International Microwave Symposium, 17-22 Мая, Phoenix, Arizona компанией Dynamic Engineers Inc.

Expo Electronica 2015

С 24 по 26 марта 2015 года в Москве, в МВЦ «Крокус Экспо» прошла 18-я Международная выставка электронных компонентов, модулей и комплектующих «ЭкспоЭлектроника». Организатором выступила международная выставочная компания «ПРИМЭКСПО», входящая в Группу компаний ITE.

EXPO ELECTRONICA 2014

15-17 апреля 2014. EXPO ELECTRONICA; МВЦ «Крокус Экспо»; стенд № G28

Август 2013

Разработана ультра-стабильная модель миниатюрного кварцевого генератора серии МХО37/R со сверхнизкой потребляемой мощностью. Новый генератор, построенный на основе резонатора с внутренним подогревом, имеет размеры 20х20х12мм и потребляемую мощность около 200мВт, обеспечивая температурную стабильность частоты до 1Е-9 в интервале (-40 +85)⁰С, старение до 2Е-10/сутки и вариацию Алана до 3Е-12/1c.

10/04/2013 – 12/04/2013.

С 10 по 12 апреля 2013 года в выставочном центре Крокус Экспо (Москва) прошло самое масштабное и ожидаемое событие в области электронной промышленности – международный форум «ЭкспоЭлектроника».
Компания «Мэджик Кристалл» приняла активное участие в Выставке. Всем заинтересованным специалистам была предоставлена возможность ознакомиться с последними достижениями компании в области термостатированных кварцевых генераторов.

Ноябрь 2012.

Разработана и запущена в производство низкопрофильная модификация миниатюрных малопотребляющих ТСКГ серии МХО37. Новый генератор имеет высоту менее 8 мм и совместимые с корпусом DIP14 размеры и расположение выводов. При потребляемой мощности менее 150 мВт генераторы MXO37/14L обеспечивают температурную стабильность частоты до 5Е-9 в интервале (-40 +85)⁰С, низкое старение и уровень фазового шума до -173 dBc/Гц @ 100 кГц. Генераторы выпускаются для диапазона от 8 до 150 МГц без умножения частоты.

Кварцевые генератор ГК241-П | ООО Пьезотрон

Спецификация ГК241-П (ТУ6329-002-72715118-07)Скачать файл pdf

Параметры		ГК241-П	КОД
Параметры		5х7	КОД
Частотный диапазон:	1~200МГц
Точность настройки:	±10ppm		13
	±20ppm		15
	Другие значения		спец.
Интервал рабочих температур:	-40 +70°C		Б
	-60 +85°C		Г
Температурная стабильность:	(-40 +70°C) ±50ppm		Р
	(-40 +70°C) ±25ppm		М
	(-60 +85°C) ±50ppm		Р
	(-60 +85°C) ±30ppm		Н
	Другие значения		спец.
Температура хранения:	-60 +125°C
Напряжение питания (B):	+5.0В(±5%)		5В
	+3.3В(±5%)		3,3В
Потребляемый ток (max):	5mA (1MHz ~ 14.9MHz)
	10mA (15 ~ 29.9MHz)
	15mA (30.0 ~ 49.9MHz)
	20mA (50.0 ~ 90.0MHz)
	30mA (70.0 ~ 125.0MHz)
	40mA (125.0 ~ 200.0MHz)
Нагрузка:	15pF CMOS
Выходное напряжение:	Уровень логического «0» = 10% U питания max
	Уровень логической «1» = 90% U питания min
Время запуска:	10ms max
Длительность фронта / спада импульса:	5ns max (<120. 0MHz)
	7ns max (>120.0MHz)
Симметрия импульсов (%):	45:55 max (<50.0MHz)
	40:60 max (>50.0MHz)

Стандартные значения
Ваша спецификация — отметить при заказе

Особенности

Функция включения / выключения
Низкая цена для большого объёма
Быстрое производство
Изготовление по вашей спецификации
Широкий диапазон частот
Высокая надёжность
Минимальный заказ 1шт.

Стандартные частоты

1.843200	6.000000	10.24500	16.93440
2.000000	6.144000	10.70000	17. 73447
2.457600	6.176000	11.00000	18.00000
3.000000	6.553600	11.05902	18.43200
3.276800	7.372800	11.28960	19.66080
3.579545	7.680000	12.00000	20.00000
3.686400	8.000000	12.28800	22.11840
4.000000	8.192000	14.00000	24.00000
4.032000	8.867237	14.31818	24.00014
4.096000	9.000000	14.74560	24.57600
4.915200	9.216000	15.00000	30.00000
5.000000	9. 830400	15.36000	32.00000
5.068800	10.00000	16.00000	32.76800
5.120000	10.24000	16.38400	36.00000

Информация для заказа

Тип генератора + код точности настройки + код интервала рабочих температур + код температурной стабильности + частота + питание:

Пример ГК241-П-15БР-20М-3,3В

Тел. (495) 963-59-31, 963-28-31 E-mail: [email protected] Спецификация (pdf)

Кварцевый генератор • HamRadio

21.01.202223.05.2019 от Foxiss

Кварцевый генератор, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором, является обязательным узлом для большинства современных приемников и трансиверов, а также для измерительных приборов. В этом обзоре приведены варианты возможного исполнения подобных генераторов па частоты от единиц до десятков мегагерц.

Прежде чем переходить к практическим схемам, отметим, что для широко распространенных кварцев основная рабочая частота обычно не превышает 10…15 МГц. Обусловлено это трудностями в изготовлении (при серийном производстве) очень тонких кварцевых пластин с высокой степенью параллельности рабочих сторон. Последнее, в частности, сильно влияет на моночастотность резонатора (отсутствие паразитных резонансов, особенно вблизи основной рабочей частоты).

Применительно кварцевый генератор наличие таких резонансов может привести к возбуждению резонатора не на той частоте, что указана на его корпусе, или к скачку частоты генератора при изменении внешних условий (температура, сопротивление нагрузки и т.п.). Если частота, указанная на корпусе кварцевого резонатора, выше 15 МГц, то с высокой степенью вероятности этот резонатор гармониковый, и его основная частота в три или даже в пять раз ниже «номинала».

В кварцевый генератор, схема которого показана на рисунке, кварцевый резонатор возбуждается на основной частоте. Для его устойчивой работы сопротивление нагрузки (входное сопротивление следующего каскада) должно быть не менее 1 кОм. При этом высокочастотное напряжение на выходе генератора будет не менее 0,5 В (здесь и далее — эффективное значение). Номиналы конденсаторов С3, С4 и резистора R4 зависят от рабочей частоты кварцевого резонатора. Для полосы частот 1…3 МГц они должны быть соответственно 270 пФ, 180 пФ и 3,3 кОм; для 3…6 МГц — 180 пФ, 120 пФ и 3,3 кОм; для 6…10 МГц — 180 пФ, 120 пФ и 2,2 кОм; для 10…18 МГц — 150 пФ, 68 пФ и 1,2 кОм; для 18…21 МГц — 68 пФ, 33 пФ и 680 Ом.

Как принято говорить в таких случаях, при исправных деталях и безошибочном монтаже генератор настройки не требует (за исключением, быть может, некоторой коррекции рабочей частоты подстройкой конденсатора С2). Если при выполнении двух названных выше условий генератор все же не заработал, то единственной причиной этого может быть невысокая активность кварцевого резонатора. В этом случает его следует либо заменить на другой, либо попытаться «поиграться» с номиналами конденсаторов С3 и С4. В частности, может помочь изменение в ту или иную сторону отношения их емкостей.

На втором рисунке приведена схема кварцевый генератор, в котором кварцевый резонатор возбуждается на нечетных гармониках его основной рабочей частоты.

Как и в предыдущем варианте, входное сопротивление следующего каскада должно быть не менее 1 кОм. Выходное напряжение — примерно 0,5 В. Для полосы частот 15…25 МГц емкости конденсаторов С2, С3 и С4 должны быть соответственно 100, 100 и 68 пФ; для 25…55 МГц — 100, 68 и 47 пФ; для 50…65 МГц — 68, 33 и 15 пФ. Катушку L1 наматывают проводом диаметром 0,3 мм на каркасе диаметром 5 мм. Она имеет подстроечник из карбонильного железа (диаметр — 4 мм). Для трех указанных выше полос рабочих частот число витков должно быть соответственно 15, 10 и 7.

Налаживают кварцевый генератор подстройкой катушки L1 по устойчивой генерации на третьей гармонике основной частоты кварцевого резонатора. Если этого не происходит при любом положении подстроечника, то следует подобрать число витков катушки или попробовать провести эту операцию, установив конденсатор С2 с большим или меньшим номиналом. Если же и эта операция не поможет, то скорее всего причиной является низкая активность кварцевого резонатора (см. выше). Следует заметить, что далеко не все резонаторы, устойчиво генерирующие на основной частоте, также устойчиво работают и на гармониках.

Подобный кварцевый генератор может обеспечить напряжение около 2В на высокоомной нагрузке (например, смесительный каскад на транзисторе с изолированным затвором) на более высокой частоте, если в цепь коллектора транзистора VT1 ввести полосовой фильтр, настроенный, например, на вторую гармонику рабочей частоты генератора (т.е. это будет генератор — удвоитель частоты на одном транзисторе). Катушки индуктивности L2 и L3 такого фильтра наматывают проводом диаметром 0,6 мм на каркасе диаметром 5 мм с двумя подстроечниками из карбонильного железа (диаметр 4 мм). Расстояние между катушками — 5 мм. Для полосы частот 60…90 МГц число витков должно быть 9, а для 90…130 МГц — 6. Номиналы конденсаторов С6, С7 фильтра — 33 и 22 пФ соответственно.

Кварцевый генератор, схема которого показана на рисунке, чуть посложнее — он содержит колебательный контур.

Это даст сразу два преимущества. Во-первых, он имеет более высокую спектральную чистоту выходного сигнала. Во-вторых, он обеспечивает более высокий уровень выходного сигнала (около 1В на нагрузке 100 Ом). Для полосы частот 1…3МГц емкости конденсаторов С2, С5 и С6 соответственно равняются 470, 270 и 2000 пФ; для 3… 10 МГц — 330, 150 и 1500 пФ; для 10…30 МГц — 180. 47 и 330 пФ. Катушка L1 должна иметь при среднем положении подстроечника такую индуктивность, чтобы обеспечить с конденсатором С5 резонанс па рабочей частоте. Налаживают этот генератор по устойчивой генерации на основной частоте кварцевого резонатора или на ее третьей гармонике.

Рубрики Приемная техника

Высокочастотный кварцевый генератор

Полезная модель относится к области радиотехники, а именно, к высокочастотным кварцевым генераторам и может быть использована в качестве устройства для формирования спектрально-чистого опорного сигнала гетеродинов когерентных радиолокационных станций сантиметрового и миллиметрового диапазона волн. Технический результат заключается в повышении частоты выходного сигнала устройства при относительном снижении спектральной плотности мощности его фазовых и амплитудных шумов.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ

Полезная модель относится к области радиотехники, а именно, к высокочастотным кварцевым генераторам и может быть использована в качестве устройства для формирования опорных сигналов гетеродинов когерентных радиолокационных станций сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен высокочастотный кварцевый генератор, содержащий усилитель с обратной связью, состоящей из кварцевого резонатора с SC-срезом и цепи согласования входного сопротивления усилителя с эквивалентным сопротивлением кварцевого резонатора (патент США 4843349).

Известен кварцевый генератор с низким уровнем фазовых шумов, работающий на пятой механической гармонике резонатора с SC-срезом (McClelland Т. et al. 100 MHz crystal oscillator with extremely low phase noise. Proc. of 1999 Joint Meeting EFTF-IEEE International Frequency Control Symposium, pp.331-334).

Известен высокочастотный кварцевый генератор, выполненный с умножением на три частоты пятой механической гармоники кварцевого резонатора (патент США 5223801).

Известен высокочастотный каскодный кварцевый генератор с повышенным отрицательным сопротивлением цепи обратной связи (Takehiko A. et al. A High Frequency Cascode Oscillator with Negative Resistance Enhancement Circuit and Its Analysis. Division of Electrical and Computer Engineering. Yokohama National University. Proc. of 2005 IEEE International Frequency Control Symposium, pp.522-525).

Известен высокочастотный кварцевый генератор, содержащий два каскада на транзисторах, один из которых выполнен с общей базой, а другой — с общим коллектором, с кварцевым резонатором, включенным между эмиттерами транзисторов (патент на изобретение РФ 2319285).

Известна модификация высокочастотного кварцевого генератора по схеме Батлера на кварцевом резонаторе 100 МГц SC-среза с низким уровнем фазовых шумов и двумя буферными каскадами (Sakamoto К. et al. Development of ultra low noise VHF OCXO with excellent temperature stability. Proc. of 2008 IEEE International Frequency Control Symposium, pp.565-568).

Общим недостатком вышеупомянутых кварцевых генераторов является их недостаточная высокочастотность. Следствием недостаточно высокой частоты сигнала задающего генератора являются неудовлетворительная чистота спектра сигнала гетеродина вследствие прохождения часто расположенных спектральных составляющих опорного колебания задающего генератора сквозь фильтры тракта гетеродина. Еще одним следствием недостаточно высокой частоты задающего генератора является чрезмерно высокая кратность умножения частоты опорного колебания автогенератора, поднимающая уровень спектральной плотности мощности его фазовых шумов G(f) на величину 20lg(N), где N — коэффициент умножения частоты опорного колебания, f — частота отстройки от номинальной частоты сигнала F.

Одна из задач настоящей полезной модели состоит в получении опорного колебания оптимального с точки зрения дальнейшего преобразования в трактах когерентного гетеродина таким образом, чтобы на выходе гетеродина сантиметрового или миллиметрового диапазона волн был сформирован спектрально-чистый сигнал, обладающий низкой и определенным образом распределенной по оси частот спектральной плотностью мощности фазовых шумов в заданном диапазоне отстроек анализируемой частоты от частоты сигнала, либо низкой и определенным образом распределенной по оси времени кратковременной нестабильностью частоты в заданном диапазоне временных интервалов (интервалов когерентности сигналов гетеродина).

Известен высокочастотный кварцевый генератор, который, как показано на фиг.1, содержит кварцевый резонатор 5, один из выводов которого подключен к эмиттеру первого транзистора 3, подключенному к последовательному соединению резисторов, первого 2 и второго 4, точка соединения которых подключена к общей шине через первый конденсатор 1. База первого транзистора 3 подключена к общей шине. Коллектор первого транзистора 3 подключен к общей шине через параллельное соединение первой катушки индуктивности 6 с последовательным соединением конденсаторов, третьего 8 и четвертого 9, к общей точке которых подключен другой вывод кварцевого резонатора 5, первый затвор второго транзистора 15 и третий резистор 10, другой вывод которого подключен к общей шине. Второй затвор второго транзистора 15 подключен к общей точке последовательного соединения резисторов, четвертого 13, другим выводом подключенного к шине питания положительной полярности, и пятого 14, другим выводом подключенного к общей шине, параллельно которому включен пятый конденсатор 12. Исток второго транзистора 15 подключен к общей шине через шестой резистор 18, параллельно которому включен шестой конденсатор 16, а в цепи его стока включено параллельное соединение второй катушки индуктивности 17 и последовательного соединения двух конденсаторов, седьмого 19 и восьмого 20, общая точка которых подключена к базе третьего транзистора 23 и через седьмой резистор 21 соединена с общей шиной. В цепь коллектора третьего транзистора 23 включено параллельное соединение третьей катушки индуктивности 24 и последовательно соединенных конденсаторов, девятого 25 и десятого 26, точка соединения которых является выходным выводом генератора, а в цепь эмиттера включено восьмое сопротивление 22, подключенное к шине питания положительной полярности. Шина питания положительной полярности подключена к входу стабилизатора напряжения 11. Между шиной питания положительной полярности и общей шиной включен одиннадцатый конденсатор 27, между выходом стабилизатора напряжения 11 и общей шиной включен второй конденсатор 7. Также к выходу стабилизатора напряжения 11 подключен другой вывод второго резистора 4 (Silaev E., Bogomolov D. Low Noise Ovenized Quartz Oscillator. Proc. of 1998 IEEE International Frequency Control Symposium, pp.349-352, принятый за прототип).

Недостаток прототипа, препятствующий достижению нижеупомянутого технического результата состоит в том, что в нем невозможно одновременно установить оптимальное значение коэффициента обратной связи автогенератора k_oc и оптимальное значение коэффициента связи автогенератора с буферным усилителем k_св, так как в прототипе коэффициенты k_oc и k_св определяются соотношением емкостей конденсаторов, второго 8 и третьего 9, то есть равны друг другу, следовательно, оптимизировать можно только один из коэффициентов.

РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Первая задача полезной модели состоит в том, чтобы повысить частоту выходного сигнала предлагаемого кварцевого генератора по сравнению с прототипом. Вторая задача полезной модели состоит в том, чтобы уменьшить спектральную плотность мощности фазовых шумов автогенератора на входе буферного усилителя по сравнению с прототипом. Третья задача полезной модели состоит в том, чтобы при сохранении приведенной добротности автогенератора повысить мощность сигнала на выходе автогенератора по сравнению с прототипом.

Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении частоты выходного сигнала устройства при относительном снижении спектральной плотности мощности фазовых шумов на выходе устройства.

Данный технический результат достигается за счет повышения предельно достижимой частоты осцилляторных колебаний кварцевого автогенератора на первом транзисторе, за счет независимого выбора оптимального коэффициента обратной связи автогенератора и оптимального коэффициента связи автогенератора с буферным усилителем, а также за счет умножения частоты на третьем транзисторе и фильтрации субгармоник опорного колебания.

Вышеуказанные технические задачи решены благодаря тому, что заявленный высокочастотный кварцевый генератор, так же как и прототип, содержит кварцевый резонатор, один из выводов которого подключен к эмиттеру первого транзистора, подключенному к последовательному соединению четвертого и пятого резисторов, точка соединения которых подключена к общей шине через первый конденсатор, коллектор первого транзистора подключен к общей шине через первую катушку индуктивности; третий транзистор, база которого подключена к общей шине через одиннадцатый резистор, а также к общей точке последовательного соединения конденсаторов, двенадцатого и четырнадцатого, коллектор третьего транзистора подключен к общей шине через параллельное соединение шестой катушки индуктивности с последовательным соединением восемнадцатого и двадцатого конденсаторов, отличающийся тем, что в нем параллельно первой катушке индуктивности включены последовательное соединение шестого, седьмого и восьмого конденсаторов, а также подстроечный четвертый конденсатор, другой вывод кварцевого резонатора подключен к общей точке последовательного соединения седьмого и восьмого конденсаторов, база первого транзистора подключена через третий конденсатор к общей шине, а через третий резистор — к общей точке последовательного соединения резисторов первого, другим выводом подключенного к точке соединения четвертого и пятого резисторов, и второго, другим выводом подключенного к общей шине, параллельно второму резистору включен второй конденсатор; база второго транзистора подключена через девятый конденсатор к общей точке последовательного соединения шестого и седьмого конденсаторов, которая через шестой резистор подключена к общей шине, база второго транзистора подключена через девятый резистор к общей точке последовательного соединения резисторов, седьмого, другим выводом подключенного к шине питания отрицательной полярности и восьмого, другим выводом подключенного к общей шине, параллельно восьмому резистору включен десятый конденсатор, эмиттер второго транзистора подключен к общей шине через десятый резистор, параллельно которому включен одиннадцатый конденсатор, коллектор второго транзистора подключен к шине питания отрицательной полярности через параллельное соединение третьей катушки индуктивности с последовательным соединением конденсаторов, двенадцатого и четырнадцатого, параллельно двенадцатому конденсатору включен подстроечный тринадцатый конденсатор, а параллельно четырнадцатому конденсатору — подстроечный пятнадцатый конденсатор; эмиттер третьего транзистора подключен к шине питания отрицательной полярности, коллектор третьего транзистора подключен к общей шине последовательным соединением подстроечного шестнадцатого конденсатора и четвертой катушки индуктивности, а также последовательным соединением подстроечного семнадцатого конденсатора и пятой катушки индуктивности, параллельно восемнадцатому конденсатору включен подстроечный девятнадцатый конденсатор, а параллельно двадцатому конденсатору — подстроечный двадцать первый конденсатор, общая точка которых подключена к выходному выводу кварцевого генератора через последовательное соединение седьмой катушки индуктивности и двадцать второго конденсатора, параллельно которому включен подстроечный двадцать третий конденсатор; входной вывод стабилизатора напряжения отрицательной полярности подключен к шине питания отрицательной полярности, корпусной вывод стабилизатора напряжения отрицательной полярности подключен к общей шине, а выходной вывод — к точке соединения пятого резистора и пятого конденсатора, другой вывод которого подключен к общей шине; двадцать четвертый конденсатор включен между шиной питания отрицательной полярности и общей шиной.

В частном варианте воплощения параллельно кварцевому резонатору включена вторая катушка индуктивности.

Формулу приведенной добротности заявленного кварцевого автогенератора можно представить в виде

Q_пр=Q_к/(1+R₂ /R+R_10пр/R),

где Q_к — добротность кварцевого резонатора на k-ой механической гармонике, R₂ — сопротивление четвертого резистора,

R=R_к+R₂+R_10пр,

где R_к — эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора на k-ой механической гармонике,

R_10пр=R₁₀/(²(С₃₇)²(R₁₀ )²+[1+С₃₇/С₃₆]²),

где — циклическая частота k-ой механической гармоники кварцевого резонатора,

С₃₆ — емкость седьмого конденсатора, С₃₇ — емкость восьмого конденсатора.

При этом коэффициент обратной связи автогенератора приблизительно равен:

k_oс=С₃₅ С₃₆/(С₃₇[С₃₅+С₃₆]),

где С₃₅ — емкость шестого конденсатора, С₃₆ — емкость седьмого конденсатора,

С₃₇ — емкость восьмого конденсатора.

Коэффициент связи кварцевого автогенератора с буферным усилителем приблизительно равен

k_cв=С₃₅ (С₃₆+С₃₇)/С₃₆С₃₇,

где С₃₅ — емкость шестого конденсатора, С₃₆ — емкость седьмого конденсатора,

С₃₇ — емкость восьмого конденсатора.

Таким образом k_oc и k_св в заявленном устройстве могут быть выбраны оптимальными: k_oс из условий, следующих из решения комплексного уравнения стационарного режима автогенератора с кварцем в цепи обратной связи, а k_св — из условия согласования выходного сопротивления автогенератора с входным сопротивлением буферного усилителя. Это позволяет снизить спектральную плотность мощности фазовых шумов предлагаемого устройства по отношению к спектральной плотности мощности фазовых шумов прототипа.

Для лучшего понимания идей полезной модели ниже приводятся иллюстрирующие чертежи, показывающие прототип и один из частных вариантов воплощения устройства.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 изображена электрическая принципиальная схема устройства согласно прототипу.

На фиг.2 изображена электрическая принципиальная схема одного из конкретных вариантов воплощения устройства согласно полезной модели для случая кварцевого автогенератора на n-p-n биполярном транзисторе.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

В одном из частных вариантов воплощения, как показано на фиг.2, устройство содержит двадцать четыре конденсатора (с первого по двадцать четвертый), обозначенных позициями 28, 1, 32, 34, 7, 35, 36, 37, 49, 12, 16, 19, 38, 20, 39, 40, 42, 25, 44, 26, 45, 47, 48 и 27, одиннадцать резисторов (с первого по одиннадцатый), обозначенных позициями 29, 30, 31, 2, 4, 10, 13, 14, 50, 18 и 21, семь катушек индуктивности (с первой по седьмую), обозначенных позициями 6, 33, 17, 41, 43, 24 и 46, кварцевый резонатор 5, три транзистора (с первого по третий), обозначенных позициями 3, 51 и 23 и стабилизатор напряжения отрицательной полярности 11. Один из выводов кварцевого резонатора 5 подключен к эмиттеру первого транзистора 3. Эмиттер первого транзистора 3 подключен к выходу стабилизатора напряжения отрицательной полярности 11 через последовательное соединение резисторов, четвертого 2 и пятого 4. В цепь коллектора первого транзистора 3 включена первая катушка индуктивности 6. База второго транзистора 51 подключена через девятый резистор 50 к общей точке последовательного соединения седьмого резистора 13, другим выводом подключенного к отрицательной шиной питания, с восьмым резистором 14, другим выводом подключенного к общей шине. Параллельно восьмому резистору 14 включен десятый конденсатор 12. Эмиттер второго транзистора 51 подключен к общей шине через десятый резистор 18, параллельно которому включен одиннадцатый конденсатор 16. Коллектор второго транзистора подключен к шине питания отрицательной полярности через параллельное соединение третьей катушки индуктивности 17 с последовательным соединением конденсаторов, двенадцатого 19 и четырнадцатого 20, общая точка которых подключена к базе третьего транзистора 23 и через одиннадцатый резистор 21 — к общей шине. Эмиттер третьего транзистора 23 соединен с шиной питания отрицательной полярности. Между шиной питания отрицательной полярности и общей шиной включен двадцать четвертый конденсатор 27, между точкой соединения резисторов, четвертого 2 и пятого 4, и общей шиной включен первый конденсатор 28. Шина питания отрицательной полярности подключена ко входу стабилизатора напряжения отрицательной полярности 11, выход которого подключен к пятому конденсатору 7, другой вывод которого подключен к общей шине.

Особенность устройства состоит в том, что база первого транзистора 3 подключена к общей шине через параллельное соединение третьего конденсатора 32 и последовательно соединенных резисторов, третьего 31 и второго 30, к общей точке которых подключен первый резистор 29, другой вывод которого подключен к общей точке первого конденсатора 28 и пятого резистора 4, и второй конденсатор 1, соединенный с общей шиной. Параллельно кварцевому резонатору 5 включена вторая катушка индуктивности 33. Параллельно первой катушке индуктивности 6 включено последовательное соединение трех конденсаторов, шестого 35, седьмого 36 и восьмого 37, параллельно которым включен подстроечный четвертый конденсатор 34. Другой вывод кварцевого резонатора 5 подключен к общей точке седьмого 36 и восьмого 37 конденсаторов. База второго транзистора 51 подключена через девятый конденсатор 49 к общей точке шестого 35 и седьмого 36 конденсаторов, которая через шестой резистор 10 подключена к общей шине. Параллельно двенадцатому конденсатору 19 включен подстроечный тринадцатый конденсатор 38, а параллельно четырнадцатому конденсатору 20 подключен подстроечный пятнадцатый конденсатор 39. Коллектор третьего транзистора 23 соединен с общей шиной параллельным соединением шестой катушки индуктивности 24 с последовательным соединением подстроечного шестнадцатого конденсатора 40 и четвертой катушки индуктивности 41, с последовательным соединением подстроечного семнадцатого конденсатора 42 и пятой катушки индуктивности 43, с последовательным соединением восемнадцатого 25 и двадцатого 26 конденсаторов. Параллельно восемнадцатому 25 включен подстроечный девятнадцатый конденсатор 44, а параллельно двадцатому конденсатору 26 — двадцатый первый конденсатор 45. Выходной вывод генератора соединен с общей точкой восемнадцатого 25 и двадцатого 26 конденсаторов через последовательное соединение седьмой катушки индуктивности 46 и двадцать второго конденсатора 47, параллельно которому включен подстроечный двадцать третий конденсатор 48.

Принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства для автогенератора на n-p-n биполярном транзисторе, запитанного от источника питания отрицательной полярности, представлена на фиг.2. Она была реализована в нескольких вариантах на n-p-n транзисторах BFR181W или BFP420 (первый транзистор), p-n-p транзисторе BFT92 (второй транзистор) и n-p-n транзисторе BFR92A (третий транзистор).

Предлагаемое устройство работает следующим образом. После подачи отрицательного напряжения питания постоянного тока на шину питания стабилизатор напряжения 11 и пятый конденсатор 7 формируют стабильное отрицательное напряжение постоянного тока с низким уровнем пульсаций, которое через пятый резистор 4 и четвертый резистор 2 подается на эмиттер первого транзистора 3 и через схему «бесшумового» питания, состоящую из первого резистора 29, второго резистора 30 и третьего резистора 31, подается на базу первого транзистора 3. Таким образом, первый транзистор 3 (транзистор автогенератора) включен по схеме с общим коллектором по постоянному току и по схеме с общей базой — по переменному току. При этом в кварцевом автогенераторе, благодаря цепи обратной связи, образованной параллельным соединением кварцевого резонатора 5 и второй катушки индуктивности 33, предназначенной для компенсации паразитной емкости кварцевого резонатора 5, возникают условия для мягкого возбуждения осцилляторных колебаний в малой окрестности частоты последовательного резонанса кварцевого резонатора, возбуждаемого на одной из его нечетных механических гармоник (7-ой, 9-ой или 11-ой). Четвертый конденсатор 34, выполняющий функцию точной настройки, рассчитан таким образом, что максимальная вариация его емкости мала по сравнению с емкостью последовательного соединения конденсаторов: шестого 35, седьмого 36 и восьмого 37. Вследствие этого параллельный контур, служащий для селекции заданной механической гармоники кварца и состоящий из первой катушки индуктивности 6 и четвертого 34, шестого 35, седьмого 36 и восьмого 37 конденсаторов, имеет растянутый диапазон настройки, и кварцевый автогенератор может быть настроен на свою номинальную частоту с большей точностью.

Далее опорное колебание поступает на базу второго транзистора 51, который вместе с параллельным контуром, образованным третьей катушкой индуктивности 17 и последовательным соединением параллельного соединения двенадцатого конденсатора 19 и тринадцатого конденсатора 38 и параллельного соединения четырнадцатого конденсатора 20 и пятнадцатого конденсатора 39, составляют буферный каскад. Тринадцатый конденсатор 38 служит для точной настройки контура на частоту опорных колебаний, а пятнадцатый конденсатор 39 — для согласования выходного сопротивления буферного каскада с входным сопротивлением умножителя частоты (усилителя мощности). Главной функцией буферного каскада является уменьшение влияния умножителя частоты (либо усилителя мощности), а также последующего тракта гетеродина на стабильность частоты и спектральную плотность мощности амплитудных и фазовых шумов опорного колебания высокочастотного кварцевого автогенератора.

В предпочтительном варианте предлагаемого решения опорное колебание с выхода буферного каскада подается на умножитель частоты с кратностью умножения N=3, собранный на третьем транзисторе 23.

Следует отметить, что идея предложенного решения в части предварительного умножения частоты генерируемого колебания, частота которого уже лежит в диапазоне дециметровых длин волн, непосредственно в устройстве, заключается в возможности сформировать спектрально-чистое колебание с частотой более 1 ГГц, являющееся исходным для его последующего переноса в сантиметровый или миллиметровый диапазон. При этом удается обойти практически мало реальную задачу для известного уровня техники о фильтрации побочных спектральных составляющих сигнала гетеродина миллиметрового диапазона волн до уровня минус (6070) дБ. Фильтрация же первой и второй субгармоник опорного колебания фильтром, представленным в предлагаемом решении до уровня минус (5070) дБ задача реальная, обеспечивающая ослабление в последующих фильтрах тракта гетеродина побочных спектральных составляющих до уровня минус 60 дБ. Итак, после умножения частоты опорного колебания автогенератора, прошедшего буферный усилитель, с помощью умножителя частоты на третьем транзисторе 23 и фильтрации субгармоник и гармоник выходного сигнала кварцевого генератора с номерами nN, где N=3, n=1,2,4,5в предпочтительном варианте предлагаемого решения (либо N=2, n=1,3,4либо N=1, n=2,3,4) фильтром, в состав которого входят конденсаторы: шестнадцатый 40, семнадцатый 42, восемнадцатый 25, девятнадцатый 44, двадцатый 26, двадцать первый 45, двадцать второй 47, двадцать третий 48 и катушки индуктивности: четвертая 41, пятая 43, шестая 24, седьмая 46, на выходе устройства формируется спектрально-чистое опорное колебание. При этом последовательный контур фильтра, состоящий из шестнадцатого конденсатора 40 и четвертой катушки индуктивности 41, настроен на частоту выбранной механической гармоники кварца (7-ой, 9-ой или 11-ой), то есть на частоту первой субгармоники (n=1) выходного сигнала. Последовательный контур фильтра, состоящий из семнадцатого конденсатора 42 и пятой катушки индуктивности 43, настроен на частоту второй субгармоники (n=2) выходного сигнала и отфильтровывает спектральную составляющую опорного колебания с удвоенной частотой выбранной механической гармоники кварца (7-ой, 9-ой или 11-ой). Оба эти последовательные контура, включенные в параллель с шестой катушкой индуктивности 24, образуют на частоте третьей (N=3) гармоники выбранной механической гармоники кварцевого резонатора индуктивность, величина которой несколько отличается от величины индуктивности шестой катушки индуктивности 24 в меньшую сторону, что позволяет реализовывать в схеме фильтра значения индуктивности, которые иначе, из-за паразитных индуктивностей проводников печатной платы, реализовать было бы сложнее. Таким образом, построение выходного фильтра в предложенном устройстве позволяет получить необходимую чистоту спектра сигнала после переноса его в миллиметровый либо сантиметровый диапазон длин волн как за счет более высокой выходной частоты генератора, так и за счет более глубокой фильтрации субгармоник и высших гармоник его выходного сигнала.

Изменения и модификации вышеописанного устройства, а также дополнительные применения принципов, заложенных в его основу, очевидные для специалистов в данной области техники, входят в объем полезной модели.

1. Высокочастотный кварцевый генератор, содержащий кварцевый резонатор, один из выводов которого подключен к эмиттеру первого транзистора, подключенному к последовательному соединению четвертого и пятого резисторов, точка соединения которых подключена к общей шине через первый конденсатор, коллектор первого транзистора подключен к общей шине через первую катушку индуктивности; третий транзистор, база которого подключена к общей шине через одиннадцатый резистор, а также к общей точке последовательного соединения конденсаторов, двенадцатого и четырнадцатого, коллектор третьего транзистора подключен к общей шине через параллельное соединение шестой катушки индуктивности с последовательным соединением восемнадцатого и двадцатого конденсаторов, отличающийся тем, что в нем параллельно первой катушке индуктивности включены последовательное соединение шестого, седьмого и восьмого конденсаторов, а также подстроечный четвертый конденсатор, другой вывод кварцевого резонатора подключен к общей точке последовательного соединения седьмого и восьмого конденсаторов, база первого транзистора подключена через третий конденсатор к общей шине, а через третий резистор — к общей точке последовательного соединения резисторов первого, другим выводом подключенного к точке соединения четвертого и пятого резисторов, и второго, другим выводом подключенного к общей шине, параллельно второму резистору включен второй конденсатор; база второго транзистора подключена через девятый конденсатор к общей точке последовательного соединения шестого и седьмого конденсаторов, которая через шестой резистор подключена к общей шине, база второго транзистора подключена через девятый резистор к общей точке последовательного соединения резисторов, седьмого, другим выводом подключенного к шине питания отрицательной полярности и восьмого, другим выводом подключенного к общей шине, параллельно восьмому резистору включен десятый конденсатор, эмиттер второго транзистора подключен к общей шине через десятый резистор, параллельно которому включен одиннадцатый конденсатор, коллектор второго транзистора подключен к шине питания отрицательной полярности через параллельное соединение третьей катушки индуктивности с последовательным соединением конденсаторов, двенадцатого и четырнадцатого, параллельно двенадцатому конденсатору включен подстроечный тринадцатый конденсатор, а параллельно четырнадцатому конденсатору — подстроечный пятнадцатый конденсатор, эмиттер третьего транзистора подключен к шине питания отрицательной полярности, коллектор третьего транзистора подключен к общей шине последовательным соединением подстроечного шестнадцатого конденсатора и четвертой катушки индуктивности, а также последовательным соединением подстроечного семнадцатого конденсатора и пятой катушки индуктивности, параллельно восемнадцатому конденсатору включен подстроечный девятнадцатый конденсатор, а параллельно двадцатому конденсатору — подстроечный двадцать первый конденсатор, общая точка которых подключена к выходному выводу кварцевого генератора через последовательное соединение седьмой катушки индуктивности и двадцать второго конденсатора, параллельно которому включен подстроечный двадцать третий конденсатор; входной вывод стабилизатора напряжения отрицательной полярности подключен к шине питания отрицательной полярности, корпусной вывод стабилизатора напряжения отрицательной полярности подключен к общей шине, а выходной вывод — к точке соединения пятого резистора и пятого конденсатора, другой вывод которого подключен к общей шине; двадцать четвертый конденсатор включен между шиной питания отрицательной полярности и общей шиной.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что в нем параллельно кварцевому резонатору включена вторая катушка индуктивности.

ВЧ и СВЧ кварцевые генераторы

Выберите категорию для просмотра продуктов и компаний

Кристаллический осциллятор — это генератор, который использует свойство резонанса кварцевого кристалла для создания электрического сигнала на определенной частоте. Сравните кварцевые генераторы от ведущих производителей по всему RF. Выберите тип, а затем используйте инструмент параметрического поиска, чтобы сузить список продуктов от нескольких производителей. Сравните продукты, загрузите спецификации и получите предложения.

Подробнее о кварцевых осцилляторах

Кварцевый осциллятор — это генератор, который использует свойство резонанса кварцевого кристалла для создания электрического сигнала на определенной частоте. Он основан на обратном пьезоэлектрическом эффекте. Кварцевые генераторы используются для обеспечения стабильного тактового сигнала для цифровых интегральных схем и проектов микроконтроллеров, для отслеживания времени, как в кварцевых наручных часах, и для стабилизации частот для радиопередатчиков и приемников, а также для многих других приложений. Эти устройства можно отсортировать по ряду ключевых параметров, вот некоторые из них:

Type of Crystal Oscillators:

VCXO — Voltage Controlled Crystal Oscillators
TCXO — Temperature Compensated Crystal Oscillators
OCXO — Oven Controlled Crystal Oscillators
XO Crystal Oscillators are the main ones

Other types include clock генераторы, кварцевые генераторы с цифровым управлением (DCXO), VCXO с контролем температуры, генераторы на ПАВ с управлением напряжением (VCSO) и VCTCXO.

Основные характеристики:

Частота (МГц): Это частота, на которой будет работать осциллятор.

Форма выходного сигнала: Каждый осциллятор обеспечивает определенный тип выходного сигнала — основные типы: синусоида, обрезанная синусоида, LVCMOS, CMOS, HCMOS.

Напряжение питания (В): Это напряжение, которое приводит в действие кварцевый генератор.

Стабильность частоты (ppm): Еще одним важным параметром является стабильность генерируемой частоты. Это говорит нам об отклонении выходной частоты, ожидаемом от кварцевого генератора. Это мера точности, которая определяет приложения, в которых может использоваться кварцевый генератор, поскольку некоторые приложения требуют высокой точности. Щелкните здесь, чтобы узнать больше о стабильности частоты.

Фазовый шум: Фазовый шум — это мера шума, который генерируется вместе с полезным сигналом. Это одна из наиболее важных характеристик кварцевого генератора. Чем ниже фазовый шум, тем лучше. Щелкните здесь, чтобы узнать больше о фазовом шуме.

все RF позволяет искать кварцевые генераторы по спецификации в каталогах нескольких производителей. Были перечислены кварцевые генераторы от более чем 100 производителей. Используйте специально разработанные инструменты параметрического поиска, чтобы сузить список продуктов по номинальной частоте, форме выходного сигнала, стабильности частоты, фазовому шуму, напряжению питания и другим параметрам. Вы можете загрузить таблицы данных и запросить расценки через платформу, ваши запросы будут направлены компаниям и их дистрибьюторам в вашем регионе.

Сравнение производительности кварцевого резонатора и МЭМС-генератора

Автор Дэвид Мини, вице-президент по глобальным техническим продажам и маркетингу

Когда речь заходит об осцилляторах, возникает тот же вопрос. Что выбрать для производительности в критических приложениях, MEMS (микроэлектромеханические системы) или генераторы на основе кварца? Генераторы на основе МЭМС доступны на рынке с 2005 года. За последние 15 с лишним лет несколько компаний разработали генераторы на основе МЭМС. Сегодня их осталось всего несколько, и на долю ведущего производителя генераторов на основе МЭМС приходится около 1% всего рынка синхронизации. Многие производители частотных регуляторов под собственными торговыми марками обеих компаний, за исключением ECS, не видят никакой ценности на практике.

При выборе генератора для ваших электронных устройств или коммуникационного оборудования необходимо учитывать некоторые аспекты синхронизации: производительность системы, синхронизация системы, качество сигнала и источники опорного сигнала. Это критические параметры, которые определяют уровень производительности вашего продукта.

Возможно, вы видели еще одно видео от производителя МЭМС, сравнивающее генераторы МЭМС с автономными кварцевыми кристаллами. Доказано, что любой генератор, будь то кварцевый, ПАВ, керамический или МЭМС, всегда будет превосходить любой автономный резонатор. Таким образом, сравнение генератора с кристаллом не является настоящей проверкой производительности генератора. В этом параллельном сравнении мы рассмотрим и непосредственно сравним генератор на основе кварца с генератором MEMS.

1) Генераторы на основе кварца

2) Генераторы на основе МЭМС

Структура и характеристики:

В кварцевом генераторе используется эталонный кварцевый резонатор и простая схема генератора.

Генератор MEMS использует кремниевый резонатор в качестве источника колебаний и требует схемы ФАПЧ для корректировки частоты с учетом производственных допусков и температурного коэффициента.

Как видно из этих базовых структур, кварцевые генераторы представляют собой высококачественные часы, которые просто устроены. Напротив, генераторы MEMS имеют сложную структуру, состоящую из резонатора MEMS, системы PLL с дробным числом n и цепи температурной компенсации. Они также требуют производственной калибровки для правильной работы.

Базовая структура этих генераторов показана на рисунке 1.

Компания ECS Inc International протестировала и измерила генераторы на основе кварца и генераторы на основе МЭМС и сравнила их по шести параметрам, которые имеют решающее значение для проектирования коммуникаций, сетей, промышленные и бытовые электронные устройства. ECS Inc также предлагает сводку скомпилированных данных:

1. Потребляемая мощность: сколько потребляется тока?

2. Запуск генератора: как быстро запускается генератор после подачи питания?

3. Джиттер и фазовый шум: каковы шумовые характеристики (критический фактор в оборудовании связи?

4. Частотно-температурные характеристики: насколько стабильна частота по отношению к изменениям температуры?

5. Стабильность частоты : Насколько стабильна частота при измерении при 25 °C?

6. Чувствительность к вибрациям: производительность в неблагоприятных условиях

7. Надежность: среднее время наработки на отказ. Также известно как (MTBF)

8. Резюме: общий обзор производительности

1. Потребляемая мощность

Генераторы на основе кварца имеют гораздо более низкое энергопотребление, потому что они имеют преимущество основного или гармонического колебания и простой структуры схемы.

Генераторы на основе МЭМС, напротив, потребляют больше энергии, поскольку имеют больше схем. PLL и LCVCO увеличивают общую потребляемую мощность. В результате MEMS-генератор потребляет 6,09 мА, а стандартный кварцевый генератор потребляет около 3,16 мА, что в два раза больше тока, необходимого MEMS для достижения сопоставимых уровней джиттера и фазового шума с кварцевым генератором.

Рис. 2: Измерения энергопотребления для МЭМС и кварцевых генераторов 40 МГц.

2. Характеристики запуска генератора

Сравнивая стабильность генератора при включении питания, кварцевый генератор достигает точности 1 ppm почти сразу после включения питания. В то время как осциллятор MEMS изо всех сил пытается достичь точности 2 ppm. После запуска кварцевый генератор стабилен, но, как вы можете видеть, MEMS-генератор демонстрирует дрожание частоты, поскольку PLL и LVCO пытаются стабилизироваться. Как показано на рисунке 3 ниже.

Сегодня как никогда важен быстрый запуск. Будь то потребительский продукт, автоматизация или военное приложение, сегодняшнюю электронику необходимо выключать и включать, чтобы увеличить срок службы батареи или перевести систему в режим онлайн. Часы должны быть включены и работать стабильно, когда это необходимо. Использование генератора с более быстрым запуском и стабилизацией, такого как кварцевый генератор от ECS Inc., позволяет сократить циклы пробуждения и увеличить срок службы батареи.

Рисунок 3: Характеристики запуска генератора 40 МГц

3. Джиттер и фазовый шум

A) Джиттер

Мы выбираем готовые генераторы по сопоставимой цене. Один с резонатором на основе МЭМС и один с резонатором на основе кварца. При измерении джиттера МЭМС-генератора в диапазоне от 12 кГц до 20 МГц мы получаем среднеквадратичное значение джиттера 1,5 пСм. При тестировании кварцевого кварцевого генератора в полосе пропускания SONET от 12 кГц до 20 МГц мы получили среднеквадратичное дрожание 0,18 пСм. Это почти в восемь раз лучше, чем у генератора MEMS. Деталь ECS была выбрана для сравнения, потому что это «стандартный генератор», используемый во многих приложениях и производимый в больших количествах. См. рис. 4 ниже.

B) Фазовый шум

Лабораторные измерения также показывают, что фазовый шум кварцевых генераторов намного лучше, чем у генераторов на МЭМС.

МЭМС-генераторы имеют более высокий фазовый шум при малых смещениях, поскольку кремниевый резонатор имеет низкую добротность или добротность по сравнению с кварцем. При частоте 10 Гц фазовый шум кварцевого генератора на 36 дБ лучше, чем у MEMS-генератора. Фазовый шум при малых смещениях имеет решающее значение для беспроводной связи и может вызвать некоторые ошибки в оптической связи. Генераторы MEMS также имеют более высокий фазовый шум для больших смещений (от 12 кГц до 20 МГц), потому что они используют низкодобротный LC-генератор для схемы PLL.

Рис. 4. Характеристики фазового шума кварцевых генераторов по сравнению с МЭМС

Генераторы на МЭМС имеют паразитные составляющие, вызванные дробным делителем n. Эти побочные эффекты возникают внутри полосы частот и вызывают детерминированный джиттер (DJ), который снижает производительность системы по битовым ошибкам. DJ, вызванный ответвлениями, следует рассматривать как часть бюджета джиттера для всех типов цепей: проводных, оптических и беспроводных. Кварцевые генераторы на фундаментальных кристаллах таких шпор не имеют.

Рис. 5. Измеренные значения джиттера и фазового шума для сравниваемых генераторов.

4. Стабильность частоты

Измерения стабильности частоты для каждого генератора показаны ниже на рисунке 6. Эти результаты получены при 3,3 В и 25°C в течение 50 секунд. MEMS имеет скачки частоты порядка ±600 ppb, что значительно превышает большинство стандартов беспроводной связи. Осциллятор на основе кварца показывает очень мало движений и гораздо более стабилен.

Рис. 6. График стабильности кварцевого и МЭМС-генератора

5. Характеристики зависимости частоты от температуры

При сравнении стабильности частоты и температуры кварца и МЭМС. Вы видите, что генератор на основе кварца следует непрерывной кубической кривой кристалла AT и достигает ±25 ppm в диапазоне от -40°C до +85°C, чего достаточно для большинства приложений.

Глядя на график MEMS, кажется, что он имеет лучшие характеристики зависимости частоты от температуры, но если вы внимательно посмотрите, вы увидите, что график показывает скачки частоты, вызванные регулировкой коэффициента деления PLL для компенсации изменений температуры. Это вызывает значительные скачки частоты, чтобы компенсировать значительный дрейф частоты резонатора MEMS (30 ppm/°C или 3750 ppm -40°C ~ +85°C)

Кварц гораздо более стабилен при перегреве, чем МЭМС, и обладает высокой добротностью. Генератор на основе кварца не нуждается в температурной компенсации для поддержания стабильности на уровне ±10 ppm в требуемом диапазоне температур. Если требуется более высокая стабильность, вы можете добавить температурную компенсацию к кварцевому генератору и получить стабильность от температуры всего на 0,5 ppm.

Рисунок 7: Частота в зависимости от температуры 40 МГц

Технология МЭМС также утверждает, что имеет другие улучшения по сравнению с кварцевой технологией, но если вы внимательно посмотрите на эти области, вы обнаружите, что вы, скорее всего, отказываетесь от гораздо большего, чем вы становятся. В этом мире нет ничего бесплатного.

6. Чувствительность к вибрации

MEMS заявляет о повышении чувствительности к вибрации. Если мы посмотрим на данные, это быстро опровергается. Типичный измеряемый диапазон указан от менее одного уровня до 2 кГц. Уровни плотности вибрации значительно снижаются выше 2 кГц. Мы измеряем интеграцию фазового джиттера в диапазоне от 12 кГц до 20 МГц. Этот диапазон значительно выше максимального уровня вибрации, который указал бы любой заказчик. Благодаря улучшенной геометрии кварца, заготовкам с более высокой частотой и более совершенному производственному процессу производители кварца значительно улучшили вибрационную чувствительность по сравнению с МЭМС.
Единицы измерения чувствительности к вибрации – миллиардные доли на г вибрации (млрд/млрд/г).
B) Чувствительность кварца к вибрации колеблется от 0,1 ppb/g ~ 1 ppb/g

7. Надежность (MTBF) 30 000 лет. На первый взгляд соотношение улучшений 4:1 кажется существенным, пока вы не поймете, что большинство продуктов разработаны с жизненным циклом менее пяти лет. Как правило, конструкции с длительным сроком службы имеют жизненный цикл от десяти до пятнадцати лет, а очень небольшой группе требуется целых двадцать лет. Если вы сравните джиттер, фазовый шум и температурные характеристики, которые вы теряете при сравнении МЭМС с кварцем, то сегодня вы теряете огромное количество производительности, поэтому ваш продукт может прослужить 130 000 лет. Для справки: люди существуют уже 200 000 лет. Цивилизации всего 6000 лет. Я думаю, мы все можем согласиться с тем, что 30 000 лет достаточно.

8. Сводка

Сводка результатов оценки показателей 1–5, показанных ниже.

ECS Inc. стремится поставлять высококачественные электронные компоненты, чтобы помочь вам спроектировать мир, связанный с IoT. Для получения дополнительной информации о продуктах ECS Inc нажмите здесь.

о Колебательный контур с кварцевым кристаллом | Техническая информация | Информация

Общие
Колебательный контур с кварцевым кристаллом

1. Типовая схема генерации (режим основной гармоники)

2. Емкость нагрузки и частота генерации

3. Схема генерации обертонов

4. Уровень возбуждения кварцевого генератора

5. При проектировании необходимо учитывать следующие моменты. Шаблон печатной платы.

Колебательный контур с кварцевым кристаллом

При построении колебательного контура с кварцевым кристаллом необходимо учитывать следующие моменты.

1. Типовая колебательная схема (основной колебательный режим)

Типовая схема колебательного контура показана на рис.7.

Рис.7 Типовая колебательная схема в режиме основной вибрации

Когда режим колебаний находится в устойчивом состоянии, отношения между реактивным сопротивлением кристалла Xe, реактивным сопротивлением цепи -X, импедансом кристалла Re и сопротивлением цепи -R являются следующими:

А упрощенная колебательная схема в установившемся режиме показана на рис.8.

Рис.8 Эквивалентный колебательный контур параллельного резонансного колебательного контура

Чтобы получить безопасные колебания цепи, отрицательное сопротивление цепи должно удовлетворять следующему уравнению: -R | < Ре.
Взяв за пример схему на рис.7, отрицательное сопротивление цепи показано следующим образом:

Здесь
gm = взаимная проводимость транзистора на этапе генерации
= угловая частота колебаний

2.

Емкость нагрузки и частота колебаний

Учитывая, что
Резонансная частота серии = fr
Эквивалентная последовательная емкость = C1

Параллельная емкость = C0
Резонансная частота (с емкостью нагрузки CL) = fL
и fL — fr = f
тогда

Приведенное выше уравнение является индуцированным.
Емкость нагрузки можно рассматривать как последовательную емкость C01,
. C02 и C03 + CV, как показано на рис.7., включая паразитные емкости транзисторов и схемы.
Таким образом, емкость нагрузки CL определяется следующим уравнением.

«Диапазон вытягивания», диапазон изменения частоты, когда емкость нагрузки колебательного контура может изменяться от CL1 до CL2, выражается как

Если заданы эквивалентная последовательная емкость C1, параллельная емкость C0 и вышеуказанные CL1 и CL2, диапазон изменения частоты можно определить из приведенного выше уравнения. «Чувствительность к вытягиванию», чувствительность элемента вблизи емкости нагрузки (CL), определяется следующим уравнением.

Зависимость резонансной частоты от емкости нагрузки представлена на рис. 9. Результат расчета приведенных выше уравнений (3), (5), (6)
при заданных условиях C1 = 16 пФ, C0 = 3,5 пФ, CL = 30 пФ, CL1 = 27 пФ и CL2 = 33 пФ.

Рис.9 Частота в зависимости от емкости нагрузки

Применяя это явление, выходную частоту колебательного контура можно отрегулировать до номинальной частоты, регулируя переменный подстроечный конденсатор, чтобы компенсировать отклонение, вызванное производственным отклонением кристаллического блока и отклонением компонентов в колебательном контуре.
Хотя уменьшение емкости нагрузки (CL) в уравнении (6) повысит чувствительность устройства, оно также, наоборот, снизит стабильность.
Обратите внимание, что уменьшение емкости нагрузки усложнит запуск колебаний, поскольку увеличится эффективное сопротивление кварцевого блока, как показано в уравнении (7).

3. Схема обертонных колебаний

Пример схемы обертонных колебаний показан на рис.10. В
по сравнению с колебательным контуром основной волны (рис.7.), там
две дополнительные катушки индуктивности в цепи.

Рис.10 Типовая схема генерации для частоты обертонов

Одна из добавленных катушек индуктивности (L01: подключена к эмиттеру транзистора (Q1)) содержит схему выбора частоты вместе с C02, подключенными параллельно, подавляющими основные или более низкие колебания для стабилизации обертонных колебаний. Эта петля, состоящая из L01 и C02, называется схемой выбора. Условием получения селективности является конфигурация значений L01 и C02 таким образом, чтобы параллельная резонансная частота L01 и C02 находилась между требуемой частотой обертона и более низкой частотой обертона или основной частотой.

Далее необходимо объяснить отрицательное сопротивление этой цепи.
В уравнении (2), если вы подставите для C02 отрицательный
сопротивление -R будет -.
Отрицательное сопротивление уменьшится обратно пропорционально площади
. частота. Следовательно, C01 и C02 должны иметь достаточно малые значения 90–207. в случае обертонных колебаний. Еще одна вещь, которую следует учитывать в случае обертоновых колебаний, — это диапазон переменной частоты. В уравнении (5) значение эквивалентной последовательной емкости обратно пропорционально квадрату порядка обертона по сравнению с квадратом порядка основной частоты колебаний, поэтому диапазон изменения частоты будет уже. И C01, и C02 станут меньше, чтобы обеспечить отрицательное сопротивление, что затруднит настройку частоты. Однако этот факт также показывает, что устойчивость частоты к турбулентности вне колебательного контура повышена. Для обеспечения диапазона переменной частоты часто добавляют катушку индуктивности L02. Эта катушка индуктивности L02 называется «удлинительной катушкой индуктивности», а емкость нагрузки и удлинительная катушка индуктивности соединены последовательно, как показано на рис. 11 9.0005 Рис.11 Эквивалентная схема с удлинительной катушкой индуктивности и емкостью нагрузки

Диапазон переменной частоты в этом состоянии представлен как

В уравнении (8), если La 0, то уравнение (3) является индуцированным.
Если в этом случае вы добавите дополнительную индуктивность, сконфигурируйте значения CL и La
так, чтобы они удовлетворяли выражению
. На рис. 12 для справки показан пример схемы колебательного контура для пейджера.

Рис.12 Пример схемы генератора пейджера для справки.

4. Уровень возбуждения кварцевого генератора

Чтобы обеспечить стабильное колебание кварцевого генератора, необходимо приложить определенную мощность возбуждения. На рис. 13 показано, как частота изменяется в зависимости от уровня возбуждения, при этом величина частотного сдвига увеличивается по мере увеличения уровня возбуждения.

Применение высокой мощности привода (около 50 мВт) к кристаллическому блоку может привести к его повреждению. Для использования в нормальном колебательном контуре предпочтительная мощность привода
составляет 0,1 мВт или менее (макс. 0,5 мВт).

5. При разработке шаблона печатной платы необходимо учитывать следующие моменты.

Длина диаграммы направленности от каскада генерации до блока кристалла должна быть минимальной, чтобы свести к минимуму паразитную емкость контура генерации.
При размещении других компонентов и схем подключения поверх колебательного контура увеличение паразитной способности должно быть сведено к минимуму.

Как построить схемы кварцевого генератора

Итак, мы подошли к четвертой части нашей серии руководств по генераторам волн и генераторам! Ознакомьтесь с некоторыми из предыдущих статей этой серии:

Как собрать генератор прямоугольных импульсов
Как собрать генератор пилообразной и треугольной волн
Как собрать генератор синусоидальных сигналов

И в последнем случае мы рассмотрим кварцевые генераторы.

Кварцевые генераторы, безусловно, самые распространенные из всех электронных компонентов. Они повсюду — в вашем телефоне, радио, телевизоре, ПК, ноутбуке, микроконтроллере и Arduino, и это лишь некоторые из них. Это потому, что они уникальны для работы на одной частоте — они очень стабильны и не имеют дрейфа. В этом уроке мы заглянем внутрь банки и увидим, как на самом деле работают кварцевые генераторы.

Как работают кварцевые генераторы

Кварцевые генераторы условно делятся по частоте, на которой они работают, и по тому, являются ли они фундаментальными генераторами — работают на частоте, указанной на банке, или на частотах, кратных ей (обертонные генераторы).

Любому генератору для работы нужны только две вещи — положительная обратная связь и усилитель. Усилитель может быть транзистором, полевым транзистором, операционным усилителем или цифровым затвором. Тип усилителя, который вам понадобится, будет зависеть от частоты. Операционные усилители могут работать на низкочастотных затворах от низких до средних, а транзисторы и полевые транзисторы — на любой частоте, особенно на верхнем конце.

Кристаллы бывают не только разных форм и размеров, но и разных огранок кварца.

Подборка старых и новых кварцевых генераторов

Давайте заглянем внутрь кварцевого генератора:

Кварцевый генератор со снятым корпусом, демонстрирующим кварцевый диск, посеребренные пластины и соединения

Как видно из рисунка выше, есть три основные части. . Провода соединяются с двумя посеребренными пластинами по обеим сторонам кварцевого среза, которые образуют конденсатор. Наконец, сам кварц будет вести себя как последовательно соединенные катушка индуктивности (большая) и крошечный конденсатор:

Например, посмотрите на эквивалентную схему ниже:

Эквивалентная схема кварцевого генератора

Rs — сопротивление выводов, Cp — емкость посеребренных пластин, а L и Cs спрятаны внутри кварца.

Свойство, которое делает кристалл столь стабильным на одной частоте, — это его добротность, и она огромна, обычно от 20 до 30 тысяч. Поскольку Cp и Cs очень малы, для того, чтобы L резонировала, она должна быть огромной, обычно несколько Генри! Q — отношение реактивного сопротивления к сопротивлению.

Как видно из графика ниже, кристаллы имеют две резонансные точки. Последовательный резонанс с более низким импедансом, который в значительной степени определяется Cs и L1, и параллельный резонанс с большим импедансом, который в значительной степени определяется Cs последовательно с L1 и оба параллельно с Cp.

Зависимость импеданса от частоты

Две приведенные ниже схемы генератора подходят для использования кварцевых генераторов в последовательном или параллельном режиме:

Последовательные и параллельные схемы

Генераторы с инвертирующим затвором

Самый простой генератор, который вы можете сделать, это с одним инвертирующим затвором, например:

Цифровой КМОП-генератор с кварцевым затвором

Здесь будет работать почти любой КМОП-затвор с инвертирующим затвором, включая 4069, 74HC04, 74HC14 и т. д. ), они работают как усилители. Выход обеспечивает фазовый сдвиг только на 180 °, поэтому конденсаторы обеспечивают остальную часть фазового сдвига, чтобы сделать обратную связь положительной (360 °) и вызвать колебание. Ни один из этих компонентов не является критическим. R1 может быть от 10k до 10M, а C1 и C2 от 10p до 100p. Все зависит от частоты и типа огранки кристалла. Приведенные выше значения являются типичными и работают на моей макетной плате. Я использовал переменный конденсатор для C1, чтобы я мог установить частоту точно 10,0000 МГц на моем счетчике. Если вам не нужна такая точность, вы можете просто использовать второй 39п конденсатор.

Кварцевые генераторы и операционные усилители

Кварцевые генераторы также могут быть изготовлены с быстродействующими операционными усилителями. Здесь используется операционный усилитель LM318. Выходной сигнал был не очень чистым, и есть лучшие способы сделать генераторы:

Кварцевый генератор на операционном усилителе

Радиочастотные генераторы

Радиолюбители десятилетиями полагались на кварцевые генераторы, подобные приведенной ниже схеме. Многие шпионские передатчики были изготовлены во время Второй мировой войны с такими схемами, как показанная ниже (конечно, с использованием ламп):

Управляемый кристаллом 40-метровый QRP-передатчик

Основной кварцевый генератор находится в левом нижнем углу Q1, X1 и т. д., за ним следует небольшой усилитель мощности (PA) Q3 мощностью 1 Вт, управляющий фильтром нижних частот и согласующей схемой. Генератор включается и выключается через схему формирования ключа (Q2), чтобы он плавно запускался и останавливался. Это предотвращает передачу кликов.

Схема стока генератора на полевых транзисторах представляет собой настроенную схему (L1 C3) для обеспечения большей мощности и более чистой формы волны. Все они образуют передатчик любительского диапазона (40 м) QRP CW (непрерывная волна или код Морзе).

Готовый прототип платы показан ниже с подробным изображением кристалла. Обратите внимание, что ключ Морзе — это микропереключатель.

Макет полного передатчикаКварцевый генератор крупным планом

Генератор обертонов

Еще одним полезным кварцевым генератором является генератор обертонов, показанный на схеме ниже. Кристаллы стандартной огранки изготовить сложно; выше 20 МГц, так как пластина кварца становится слишком тонкой. Решением этой проблемы является использование генератора обертона.

Примером может служить источник частоты для передатчика 144MH. Генератор имеет настроенную нагрузку на нечетное число, кратное основной частоте кварца. На самом деле, на выходе практически отсутствует основная часть. Хотя приведенная ниже схема будет работать с кристаллами основной огранки, для этого приложения лучше всего использовать кристаллы с обертоновым режимом.

Этот осциллятор имеет кварц 11,6 МГц и настроен на 3-й обертон или гармонику 34,8 МГц. Синусоида ниже довольно хороша, и в выводе 34 МГц на дисплее Фурье почти нет основной частоты 11,6 МГц.

Выходной трансформатор типа Amidon T-50_6 с 15 витками на первичной обмотке. Второстепенные витки будут зависеть от того, к чему вы его подключите.

Если за выходом следует тройная (3X) схема, это будет источник для трансивера 104 МГц.

907

34 МГц выходной сигнал 11,6 МГц Овертон

11,6 МГц не виден

04040408

0408

08.

Я надеюсь, что вы узнали из него столько же, сколько и я, исследуя и взращивая его!

Не забудьте оставить комментарий ниже, если у вас есть вопросы о чем-либо!

Что такое кварцевый осциллятор? (с изображением)

Курт Инман

Дата последнего изменения: 03 сентября 2022 г.

Кварцевый генератор представляет собой электронную схему, которая генерирует сигнал с частотой, определяемой кристаллом кварца, состоящим из кремния и кислорода. Пьезоэлектрические свойства кварца делают его очень хорошим резонатором от десятков килогерц (кГц) до сотен мегагерц (МГц). Кварцевый генератор обычно предназначен для работы только на одной точной частоте. Эти генераторы используются для создания стабильных частот в сотовых телефонах, приемниках глобальной системы позиционирования (GPS) и двусторонней радиосвязи. Они также используются для точного хронометража в часах, компьютерах и другом электронном оборудовании.

Кристалл пьезоэлектрического материала, такого как кварц, может слегка изменить форму, когда к электроду на кристалле приложено напряжение. Как только это напряжение снимается, кристалл может вернуться к своей первоначальной форме и при этом генерировать напряжение. Это свойство, открытое в 1880 году и названное пьезоэлектричеством, имеет решающее значение для работы генератора. С течением времени проводились эксперименты с различными кристаллическими материалами, и первый кварцевый генератор был собран в конце 19 века.10 с. С 1920-х годов кварцевые генераторы часто использовались в часах, а также в любительском, коммерческом и военном радиооборудовании.

При первом включении кварцевого генератора схема подает на кристалл случайный шумовой сигнал. Часть этого шума всегда будет на резонансной частоте кристалла, что заставляет кристалл колебаться. Напряжение, создаваемое кристаллом при изменении формы, усиливается схемой кварцевого генератора и возвращается обратно в кварцевый резонатор. По мере повторения этого процесса сигналы в ограниченной полосе частот кристалла будут становиться сильнее, а другие частоты будут отфильтровываться. Как только этот период «прогрева» завершится, генератор будет работать точно на расчетной частоте.

Форма, размер и огранка кристалла кварца определяют, насколько быстро он расширяется и сжимается. Кварцевый генератор может работать с такой скоростью, которая называется его резонансной частотой. Он также может работать на частоте обертонов, кратной резонансной частоте. Хотя кристаллы кварца встречаются в природе в окружающей среде, очень большое их количество производится для увеличения выхода и предложения физически пригодных кристаллов.

На выходную частоту кварцевого генератора могут влиять различные внешние факторы, включая температуру и даже внезапное ускорение. Излучение также будет влиять на частоту, будь то космические лучи в космическом корабле, рентгеновские лучи или импульс ионизирующего излучения. Некоторые из этих факторов могут быть компенсированы дополнительной схемой, которая отслеживает условия и соответствующим образом регулирует выходной сигнал генератора. Некоторые кварцевые генераторы включают в себя точно контролируемую печь с кристаллом внутри, чтобы компенсировать изменения температуры. Кристаллы кварца также можно «зачистить» или укрепить против радиации, обжигая их в специальной атмосфере и электрическом поле.

Quartz Crystal Oscillator

В наших предыдущих руководствах по RC Phase Shift Oscillator и Wein Bridge Oscillator мы получили четкое представление о , что такое осциллятор . Осциллятор — это механическая или электронная конструкция, которая производит колебания в зависимости от нескольких переменных. Правильный хороший генератор выдает стабильную частоту .

В случае генераторов RC (резистор-конденсатор) или RLC (резистор-индуктор-конденсатор) они не являются хорошим выбором, когда необходимы стабильные и точные колебания. Изменения температуры влияют на нагрузку и линию питания, что, в свою очередь, влияет на стабильность схемы генератора. Стабильность может быть улучшена до определенного уровня в случае RC- и RLC-цепи, но в некоторых случаях этого улучшения недостаточно.

В такой ситуации используется кварцевый кристалл . Кварц – это минерал, состоящий из атомов кремния и кислорода. Реагирует, когда на кварцевый кристалл подается источник напряжения. Он создает характеристику, идентифицированную как Пьезоэлектрический эффект . Когда к нему прикладывается источник напряжения, он меняет форму и создает механические силы, а механические силы возвращаются обратно и производят электрический заряд.

Как и , преобразует электрическую энергию в механическую и механическую в электрическую обозначается как Преобразователи. Эти изменения производят очень стабильную вибрацию, и как Пьезоэлектрический эффект производит стабильные колебания.

Кварцевый резонатор и эквивалентная схема

Это символ кварцевого генератора . Кристалл кварца изготовлен из тонкого куска кварцевой пластины, плотно вставленной и контролируемой между двумя параллельными металлизированными поверхностями. Металлизированные поверхности предназначены для электрических соединений, а физический размер и плотность кварца, а также его толщина строго контролируются, поскольку изменения формы и размера напрямую влияют на частоту колебаний. После того, как он сформирован и контролируется, производимая частота является фиксированной, основная частота не может быть изменена на другие частоты. Эта конкретная частота для конкретного кристалла называется характеристическая частота .

На верхнем изображении левая схема представляет собой эквивалентную схему кварцевого кристалла, показанную справа. Как мы видим, используются 4 пассивных компонента, два конденсатора C1 и C2 и один дроссель L1, резистор R1. C1, L1, R1 соединены последовательно, а C2 соединены параллельно.

Последовательная цепь, состоящая из одного конденсатора, одного резистора и одной катушки индуктивности, символизирует контролируемое поведение и стабильную работу кристалла, а параллельный конденсатор, C2 представляет собой параллельную емкость цепи или эквивалентного кристалла.

На рабочей частоте C1 резонирует с индуктивностью L1. Эта рабочая частота называется последовательной частотой кристаллов (fs). Из-за этой последовательной частоты точка вторичной частоты распознается с параллельным резонансом. L1 и C1 также резонируют с параллельным конденсатором C2. Параллельный конденсатор C2 часто называют именем C0 и называют шунтирующей емкостью кварцевого кристалла.

Выходное сопротивление кристалла в зависимости от частоты

Если мы применим формулу реактивного сопротивления для двух конденсаторов, то, для последовательного конденсатора C1, емкостное реактивное сопротивление будет:-

  X _C1 = 1/2πfC ₁

Где,

F = частота и C1 = значение последовательной емкости.

Та же формула применима и для параллельного конденсатора, емкостное сопротивление параллельного конденсатора будет: —

  X _C2 = 1/2πfC ₂

Где,

F = частота и C2 = значение параллельной емкости.

В случае расчета последовательного импеданса и параллельного импеданса формулы будут: —

На верхнем изображении мы видим кривую импеданса кварцевого генератора, а также то, как этот наклон изменяется при изменении частоты. Есть два очка один равен , точка резонансной частоты , а другая — , параллельная резонансная частота, точка .

В точке резонансной частоты серии импеданс стал минимум . Последовательный конденсатор C1 и последовательная катушка индуктивности L1 создают последовательный резонанс, равный последовательному резистору.

Итак, в этой точке последовательной резонансной частоты произойдут следующие вещи:

Импеданс минимален по сравнению с другими значениями частоты.
Полное сопротивление равно последовательному резистору.
Ниже этой точки кристалл действует как емкостная форма.

Затем частота изменяется, а наклон медленно увеличивается до максимальной точки на параллельной резонансной частоте, в это время, до достижения точки параллельной резонансной частоты, кристалл действует как последовательный индуктор.

После достижения точки параллельной частоты наклон импеданса достигает максимального значения. Параллельно подключенный конденсатор C2 и последовательная катушка индуктивности создают LC-контур, в результате чего выходной импеданс становится высоким.

Так кристалл ведет себя как индуктор или как конденсатор в последовательном и параллельном резонансе. Кристалл может работать на обеих резонансных частотах, но не одновременно. Для работы необходимо настроиться на какой-либо конкретный.

Реактивное сопротивление кристалла в зависимости от частоты

Серия Реактивное сопротивление цепи можно измерить по следующей формуле: —

  X _S = R2 + (XL ₁ – XC ₁ ) ²

Где R — значение сопротивления

Xl1 — последовательная индуктивность цепи

Xc1 — последовательная емкость цепи.

Параллельное емкостное сопротивление цепи будет: —

  X _CP = -1 / 2πfCp

Параллельное реактивное сопротивление цепи будет: —

  Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

Если мы посмотрим на график, он будет выглядеть так:-

Как мы видим на верхнем графике, последовательное реактивное сопротивление в точке последовательного резонанса обратно пропорционально C1, в точке от fs до fp кристалл действует как индуктивный, потому что в этот момент две параллельные емкости становятся незначительными .

С другой стороны, кристалл будет иметь емкостную форму, когда частота находится вне точек fs и fp.

Мы можем рассчитать последовательную резонансную частоту и параллельную резонансную частоту, используя эти две формулы:

Коэффициент добротности для кварцевого кристалла:

Q — это краткая форма качества . Это важный аспект резонанса кварцевого кристалла. Эта добротность определяет стабильность частоты Crystal. В общем, добротность кристалла имеет диапазон от 20 000 до более чем 100 000 . Иногда наблюдается также добротность кристалла более 200 000.

Добротность кристалла можно рассчитать по следующей формуле –

  Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R

Где X _L – реактивное сопротивление индуктора, а R – сопротивление .

Пример кварцевого генератора с расчетом

Мы рассчитаем резонансную частоту серии кварцевых кристаллов, параллельную резонансную частоту и добротность кристалла, когда доступны следующие точки-

R1 = 6. 8R

C1 = 0.09970pF

L1 = 3mH

And C2 = 30pF

Series resonant frequency of the crystal is –

Параллельная резонансная частота кристалла , fp равна –

Теперь мы можем понять, что последовательная резонансная частота равна 9,20 МГц , а параллельная резонансная частота равна 9,23 МГц

Q-коэффициента этого кристалла будет-

Colpitts Crystal осциллятор

9005 1 Кристальный осциллятор. На верхнем изображении показан осциллятор Колпитца; Емкостной делитель напряжения используется для обратной связи . Транзистор Q1 имеет схему с общим эмиттером. В верхней схеме R1 и R2 используются для смещения транзистора, а C1 используется в качестве обходного конденсатора, защищающего базу от радиопомех.

В этой конфигурации кристалл будет действовать как шунт из-за соединения коллектора с землей . Это параллельная резонансная конфигурация. Конденсаторы C2 и C3 используются для обратной связи. Кристалл Q2 включен как параллельный резонансный контур.

Выходное усиление в этой конфигурации низкое, чтобы избежать рассеивания избыточной мощности в кристалле.

Кварцевый генератор Пирса
Другая конфигурация, используемая в кварцевом генераторе, где транзистор заменен на JFET для усиления, где JFET в очень высокий входной импеданс когда кварцевый резонатор подключен к стоку и затвору с помощью конденсатора .

На верхнем изображении показана схема кварцевого генератора Пирса . C4 обеспечивает необходимую обратную связь в этой схеме генератора. Эта обратная связь является положительной обратной связью, которая представляет собой фазовый сдвиг на 180 градусов на резонансной частоте. R3 управляет обратной связью, а кварц обеспечивает необходимые колебания.
Кварцевый осциллятор Пирса требует минимального количества компонентов, поэтому его лучше выбирать в условиях ограниченного пространства. В цифровых часах, таймерах и различных типах часов используется схема кварцевого генератора . Пиковое значение амплитуды выходного синусоидального сигнала ограничено диапазоном напряжения JFET.

КМОП-генератор
Базовый генератор, в котором используется конфигурация с параллельным резонансным кристаллом, может быть изготовлен с использованием КМОП-инвертора. Инвертор CMOS может использоваться для достижения требуемой амплитуды. Состоит из инвертирующего триггера Шмитта типа 4049., 40106 или чип транзисторно-транзисторной логики (TTL) 74HC19 и т. д.
На верхнем изображении используется 74HC19N , который действует как триггер Шмитта в инвертирующей конфигурации. Кристалл обеспечит необходимые колебания последовательной резонансной частоты. R1 является резистором обратной связи для КМОП и обеспечивает высокую добротность с высоким коэффициентом усиления. Второй 74HC19N является усилителем, обеспечивающим достаточную мощность для нагрузки.
Инвертор работает со сдвигом фазы на 180 градусов, а транзисторы Q1, C2, C1 обеспечивают дополнительный сдвиг фазы на 180 градусов. В процессе колебаний фазовый сдвиг всегда остается на 360 градусов.
Этот кварцевый генератор CMOS обеспечивает прямоугольный выходной сигнал . Максимальная выходная частота фиксируется характеристикой переключения КМОП-инвертора. Выходную частоту можно изменить, используя значение конденсатора и значение резистора. C1 и C2 должны быть одинаковыми по значениям.

Обеспечение синхронизации микропроцессора с использованием кристаллов
Поскольку кварцевый генератор используется в различных целях, например, в цифровых часах, таймерах и т. д., он также является подходящим выбором для обеспечения стабильных тактовых импульсов микропроцессора и ЦП.
Микропроцессору и центральному процессору для работы требуется стабильный тактовый сигнал. Для этих целей широко используется кристалл кварца. Кварцевый кристалл обеспечивает высокую точность и стабильность по сравнению с другими генераторами RC, LC или RLC.
Обычно тактовая частота используется для микроконтроллера или ЦП в диапазоне от кГц до МГц. Эта тактовая частота определяет, насколько быстро процессор может обрабатывать данные.
Для достижения этой частоты используется последовательный кварцевый резонатор с двумя конденсаторами одинаковой емкости на входе генератора соответствующего микроконтроллера или ЦП.

На этом изображении мы видим, что кристалл с двумя конденсаторами образует сеть и подключается к блоку микроконтроллера или центральному процессору через входные контакты OSC1 и OSC2. Обычно все микроконтроллеры или процессоры состоят из двух контактов. В некоторых случаях доступны два типа выводов OSC. Один предназначен для первичного генератора для генерации тактовых импульсов, а другой для вторичного генератора, который используется для других вторичных работ, где требуется вторичная тактовая частота.

Categories Разное

alexxlab
Добавить комментарий Отменить ответ
Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *
Комментарий *
Имя *
Email *
Сайт

Навигация по записям
Previous ReadingОнлайн расчет делителя напряжения: Калькулятор делителя напряжения
Next ReadingРезистивная нагрузка википедия: резистивная нагрузка – Termwiki, millions of terms defined by people like you

Рубрики
Прост
Радио
Разное
Своими руками
Советы
Схем
Схемы
Транзист
Транзисторы
Электрон
Электроника

Внимание! Внешний вид товара, комплектация и характеристики могут изменяться производителем без предварительных уведомлений. Данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 (2) Гражданского кодекса Российской Федерации. 2024 © Все права защищены.

Разбираем кварцевый генератор и его крохотную интегральную схему / Хабр

Модуль генератора

Схема работы ИС

Цифровая схема

Реализация логики КМОП

Передаточный вентиль

Мультиплексор

Триггер

Заключение

Тактовые или простые кварцевые генераторы

Тактовые кварцевые генераторы категории качества ОТК (приемка 1)

Тактовые кварцевые генераторы категории качества ВП (приемка 5)

Кварцевые генератор ГК241-П | ООО Пьезотрон

Спецификация ГК241-П (ТУ6329-002-72715118-07)Скачать файл pdf

Особенности

Стандартные частоты

Информация для заказа

Кварцевый генератор • HamRadio

Высокочастотный кварцевый генератор

ВЧ и СВЧ кварцевые генераторы

Выберите категорию для просмотра продуктов и компаний

Рекомендуемые товары

Сравнение производительности кварцевого резонатора и МЭМС-генератора

о Колебательный контур с кварцевым кристаллом | Техническая информация | Информация

Колебательный контур с кварцевым кристаллом

1. Типовая колебательная схема (основной колебательный режим)

2.

3. Схема обертонных колебаний

4. Уровень возбуждения кварцевого генератора

5. При разработке шаблона печатной платы необходимо учитывать следующие моменты.

Как построить схемы кварцевого генератора

Как работают кварцевые генераторы

Генераторы с инвертирующим затвором

Кварцевые генераторы и операционные усилители

Радиочастотные генераторы

Генератор обертонов

Что такое кварцевый осциллятор? (с изображением)

Quartz Crystal Oscillator

alexxlab

Добавить комментарий Отменить ответ

Рубрики