КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ SMD

Кварцевые генераторы это источники опорной частоты и тактового сигнала во многих электронных схемах. Следовательно, они должны быть точными и стабильными. Конечно «идеальный» генератор существует только в теории, поэтому проблема состоит в том, чтобы выбрать правильный компонент, отвечающий требованиям конструкции. Радиолюбителю необходимо найти компонент, который обеспечивает баланс между производительностью, стоимостью, стабильностью, размером, мощностью, размерами и интерфейсом для связанных схем. Для этого нужно понимать как работает кварцевый генератор и его основные характеристики.

Как работают кварцевые генераторы

В КГ используется пьезоэлектрический резонатор с высокой добротностью, который является частью резонансного контура и включен в контур обратной связи. Используемый элемент и технология его изготовления определяют электрические и механические параметры.

Кристалл кварца с пьезоэлектрическим эффектом действует как стабильный и точный резонансный элемент с высокой добротностью

Много лет генераторы создавались с использованием ламп, затем транзисторов и теперь интегральных микросхем. Схема была адаптирована к так называемому углу среза кристалла кварца и его характеристикам, а также необходимым параметрам применения. В настоящее время попытки самостоятельно сконструировать кварцевые генераторы очень редки, поскольку получение хороших результатов требует времени и точного измерительного оборудования. Вместо этого просто покупаем небольшой готовый модуль SMD, который содержит как кварцевый резонатор, так и схему генератора и выходной драйвер. Это снижает затраты и время на разработку, и гарантирует получение элемента с известными параметрами.

Кстати, радиолюбители часто используют слово «кварц», хотя на самом деле говорят обо всей схеме генератора. Обычно это не проблема, поскольку предполагаемое значение можно понять из контекста. Но иногда это может привести к путанице, поскольку можно также купить кварцевый резонатор как отдельный компонент, а затем добавить к нему отдельно схему генератора.

Параметры кварцевых генераторов

Производительность кварцевого генератора определяется набором важных параметров, таких как:

Рабочая частота – может быть от десятков кГц до сотен МГц. Генераторы для высоких частот, то есть выше основного диапазона резонатора, например в диапазоне гигагерц, обычно используют контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в качестве умножителя для увеличения основной частоты.

Стабильность частоты – определяет отклонение выходной частоты от исходного значения из-за внешних условий, поэтому чем оно меньше, тем лучше. Есть много факторов которые влияют на стабильность генерируемой частоты, и многие производители указывают их в спецификациях, например изменение температуры по сравнению с номинальной частотой при 25?C. К другим факторам относятся долговременная стабильность к старению, а также влияние процесса пайки, колебания напряжения и изменения выходной нагрузки. Для высокоточных продуктов она обычно выражается в частях на миллион (ppm) или частях на миллиард (ppb) в зависимости от номинальной выходной частоты.

Джиттер во временной области и фазовый шум в частотной области – два равных параметра, характеризующих одни и те же недостатки

Фазовый шум и джиттер – два показателя одного класса производительности. Фазовый шум характеризует колебания в частотной области, а джиттер во временной. Фазовый шум обычно определяется как отношение шума в полосе частот 1 Гц при определенном сдвиге частоты fM к амплитуде сигнала генератора на частоте fO. Фазовый шум ухудшает точность, разрешение и отношение сигнал / шум (SNR) в синтезаторах частот, в то время как джиттер вызывает ошибки синхронизации и, таким образом, способствует увеличению частоты ошибок по битам (BER) при передаче данных.

Фазовый шум рассеивает спектр генерируемой частоты и отрицательно влияет на разрешение и отношение сигнал / шум

Джиттер (под этим словом имеется ввиду дрожание фронтов) во временной области вызывает ошибки выборки в аналого-цифровых преобразователях, также влияет на отношение сигнал / шум (SNR) и результаты последующего анализа сигналов в частотной области с использованием быстрого преобразования Фурье (FFT).

К примеру семейство генераторов MultiVolt ECS обеспечивает базовую стабильность до ± 20 ppm, а версии SMV – до ± 5 ppm.

Еще лучше продукты TCXO со стабильностью ± 2,5 ppm в версии с выходами HCMOS и ± 0,5 ppm для моделей с так называемыми выходами усеченной синусоиды.

Фазовый шум и джиттер всегда являются важным критерием выбора в усовершенствованном проектировании и должны учитываться при оценке ошибок. Обратите внимание, что существует множество типов джиттера, включая абсолютный, межцикловый, фазовый, долговременный и периодический. Для фазового шума также существуют различные диапазоны и типы интеграции, включая белый и другие шумы.

Понимание специфики колебаний частоты и фазового шума в генераторе и того, как они влияют на производительность, часто может быть проблемой. Также важно иметь хорошее представление о различных определениях параметров, используемых производителями для количественной оценки характеристик генератора и оценки общей погрешности.

Тип выходного сигнала и выходной драйвер – должны быть адаптированы к нагрузке. Две популярные топологии конфигурации выходов – несимметричная и дифференциальная.

Различные конфигурации выхода генератора

Генераторы с несимметричным выходом проще в использовании, но они более чувствительны к шуму и обычно подходят только до нескольких сотен мегагерц. Среди типов выходов доступны следующие драйверы:

• TTL с логикой от 0,4 до 2,4 В,
• CMOS от 0,5 до 4,5 В,
• HCMOS (быстрая CMOS) от 0,5 до 4,5 В,
• LVCMOS (низковольтная CMOS) от 0,5 до 4,5 В.

Дифференциальные выходы труднее использовать, но они обеспечивают лучшую производительность на высоких частотах, так как шум, общий для дифференциальных трактов, нейтрализуется. Типы дифференциальных выходов:

• PECL от 3,3 до 4,0 В,
• CML от 0,4 до 1,2 В и от 2,6 до 3,3 В,
• LVPECL (низковольтный PECL) от 1,7 до 2,4 В,
• LVDS от 1,0 до 1,4 В,
• HCSL от 0,0 до 0,75 В

Форма выходного сигнала генератора может быть классической одночастотной синусоидальной волной или синусоидальной волной с обрезанными пиками. Чистый синус наименее подвержен дрожанию и колебаниям по сравнению с версией с ограничением компаратора, поскольку он добавляет шум и дрожание и, таким образом, ухудшает качество. А подрезанная синусоида похожа на прямоугольную волну и может быть напрямую введена в цифровую логику.

Усеченная синусоида имеет форму прямоугольной волны с небольшим дрожанием или фазовым шумом

Напряжение и ток питания: потребление энергии значительно снизилось в последние годы, напряжение питания становится ниже, что соответствует потребностям современных устройств с батарейным питанием. Большинство генераторов могут работать с напряжением питания 1,8, 2,5, 3,0 и 3,3 В.

Размер корпуса: корпуса генератора также становятся меньше. Многие производители сохраняют стандартные размеры для версии с несимметричным выходом (для которой требуется только четыре контакта), в то время как версии с дифференциальным выходом имеют шесть контактов и, следовательно, более крупные корпуса с размерами: 1612 1,6 х 1,2 мм, 2016 2,0 х 1,6 мм, 2520 2,5 х 2,0 мм, 3225 3,2 х 2,5 мм, 5032 5,0 х 3,2 мм, 7050 7,0 х 5,0 мм.

Диапазон температур. Наибольшее влияние на работу генераторов оказывает температура. Даже если потребляемая мощность мала и самонагревание практически незначительно, температура окружающей среды влияет на рабочую частоту, поскольку эти изменения влияют на механические размеры и силы механического напряжения в кристалле кварца. Важно проверить работу выбранного генератора на крайних значениях ожидаемых диапазонов.

Для некоторых конструкций учитывается не только стабильность как функция температуры, но и необходимость удовлетворения других требований к надежности. Например, ECS-2016MVQ – миниатюрный SMD-генератор с выходом HCMOS с напряжением от 1,7 до 3,6 В. Керамический корпус размера 2016 (2,0 х 1,6 мм) имеет высоту всего 0,85 мм. Он разработан для требовательных промышленных устройств и сертифицирован AEC-Q200 (автомобильная промышленность) класса 1. Он доступен с частотами от 1,5 до 54 МГц с четырьмя степенями стабильности, от ± 20 до ± 100 частей на миллион в диапазоне от -40°C до + 85°С. Его фазовый джиттер очень мал, всего 1 пс в диапазоне от 12 кГц до 5 МГц.

Чипы ECS-2016MVQ и ECS-TXO-32CSMV – кварцевый генератор с обрезанной синусоидой на выходе и встроенной температурной компенсацией

Кварцы TCXO имеют более сложную конструкцию по сравнению с базовой версией, но потребляют значительно меньше энергии, чем OCXO со встроенным нагревателем, который обычно требует нескольких ватт. Кроме того, TCXO лишь немного больше, чем некомпенсированный блок, и значительно меньше, чем OCXO.

ECS-TXO-32CSMV – это пример TCXO с синусоидальным выходом в корпусе SMD из серии MultiVolt (питание от 1,7 до 3,465 В), доступный для диапазона частот от 10 до 52 МГц. Керамический корпус размером 3,2 x 2,5 x 1,2 мм идеально подходит для портативных и беспроводных устройств, где стабильность имеет решающее значение. Спецификация говорит об очень высокой температурной стабильности, с изменениями напряжения питания, различной нагрузкой и старением, а также низким потреблением тока ниже 2 мА.

Низкое энергопотребление в КГ

Мобильная электроника и область Интернета вещей (IoT) создают большой спрос на низкочастотные кварцевые генераторы, необходимые для схем с чрезвычайно низким энергопотреблением. Для таких целей подходит микросхема ECS-327MVATX в SMD-версии (корпуса с 2016 по 7050) с фиксированной частотой 32,768 кГц. Она потребляет всего 200 мкА и имеет выход CMOS. Она идеально подходит для использования с часами реального времени (RTC) и Интернетом вещей, обеспечивая стабильность частоты в диапазоне от ± 20 ppm до ± 100 ppm в диапазоне температур от -40 до + 85 C.

Чтобы свести к минимуму энергопотребление, многие генераторы допускают отключение. Например, ECS-5032MV с выходом CMOS в керамическом корпусе 5032. Дополнительный блокирующий контакт позволяет снизить ток питания с 35 мА в активном состоянии до 10 мкА в состоянии ожидания. Время запуска 5 мс.

В общем решение о выборе правильного кварцевого генератора – это больше, чем очевидное рассмотрение частоты, питания, стабильности и фазового шума.

Разработчик также должен убедиться, что драйвер КГ совместим с нагрузкой. Вот несколько общих рекомендаций:

• Для выхода LVDS требуется только один согласующий резистор в приемнике сигнала, в то время как LVPECL требует его как в передатчике, так и в приемнике.
• LVDS, LVPECL и HCSL обеспечивают более крутые наклоны, чем CMOS, но потребляют больше энергии и лучше всего подходят для высокочастотных проектов.
• CMOS или LVDS – лучший выбор для самого низкого энергопотребления на частотах выше 150 МГц.
• LVPECL, LVDS, затем CMOS обеспечивают самый небольшой джиттер на низких частотах.

Справочник по кварцевым генераторам

А здесь вы можете скачать PDF справочник по современным кварцевым генераторам, включая их характеристики и подробное описание.

Форум

Шпионские штучки, или Секреты тайной радиосвязи / Арсенал-Инфо.рф

Трехточечные кварцевые генераторы

Среди радиолюбителей, занимающихся конструированием миниатюрных транзисторных радиопередатчиков и радиомикрофонов весьма популярны схемотехнические решения кварцевых ВЧ-генераторов с трехточечным включением резонансного контура. В таких генераторах, как и в трехточечных LC-генераторах, подключение резонансного контура к активному элементу осуществляется в трех точках. При этом, в зависимости от схемы включения по переменному току транзистора активного элемента кварцевого трехточечного генератора возможны три основных варианта включения как индуктивной, так и емкостной трехточек: по схеме с общей базой, по схеме с общим эмиттером и по схеме с общим коллектором.

Кварцевый резонатор используется в трехточечных генераторах в качестве элемента с индуктивным характером реактивного сопротивления. Поэтому при выборе схемы генератора с емкостным делителем в цепи обратной связи (емкостная трехточка) можно добиться выполнения условий самовозбуждения без использования катушки индуктивности.

В настоящее время в миниатюрных транзисторных передатчиках чаще всего используются три типа трехточечных кварцевых генераторов, выполненных с использованием емкостного делителя в цепи ПОС. Главное отличие этих схемотехнических решений, называемых по именам их изобретателей, заключается в способе включения транзистора активного элемента по переменному току. В емкостной трехточке по схеме Пирса транзистор включен по схеме с общим эмиттером, в емкостной трехточке по схеме Колпитца – с общим коллектором, а в емкостной трехточке по схеме Клаппа – с общей базой. Упрощенные принципиальные схемы трехточечных кварцевых генераторов указанных типов приведены на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Упрощенные принципиальные схемы кварцевых емкостных трехточек по схеме Пирса (а), по схеме Колпитца (б) и по схеме Клаппа (в)

Весьма интересным представляется схемотехническое решение емкостной трехточки с включением кварцевого резонатора между базой и коллектором транзистора активного элемента (рис. 3.13а). Его впервые предложил американский изобретатель Джордж Пирс (Pierce), поэтому часто такая схема генератора называется схемой Пирса. Принципиальная схема высокочастотного кварцевого генератора по схеме Пирса, выполненного на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, приведена на рис. 3.14. Частота генерируемого сигнала составляет 1 МГц.

Рис. 3.14. Принципиальная схема трехточечного кварцевого генератора по схеме Пирса с частотой 1 МГц

В рассматриваемой схеме активный элемент выполнен на биполярном транзисторе VT1, который по переменному току включен по схеме с общим эмиттером. Стабилизация рабочей точки транзистора обеспечивается с помощью цепи ООС, а режим работы транзистора VT1 по постоянному току определяется величиной сопротивления резистора R1. Особенностью данной схемы является включение кварцевого резонатора BQ1 между базой и коллектором транзистора, то есть в цепи отрицательной обратной связи. При этом значение частоты генерируемых колебаний рекомендуется выбирать немного ниже частоты параллельного резонанса.

При изменении параметров конденсаторов С1 и С2 в данном генераторе можно использовать кварцевые резонаторы с большей частотой. Например, для частот от 10 МГц до 30 МГц емкость этих конденсаторов должна составлять 27 пФ. Соответственно следует уменьшить и индуктивность дроссельной катушки L1.

Отличительной особенностью кварцевых генераторов, выполненных по схеме Пирса, является сравнительно высокая стабильность частоты генерируемого высокочастотного сигнала, поскольку на добротность кварцевого резонатора параметры подключаемых к нему элементов практически не оказывают заметного влияния. В то же время амплитуда выходного сигнала в значительной мере зависит от стабильности положения рабочей точки транзистора. Поэтому нередко используются схемотехнические решения, в которых для стабилизации положения рабочей точки транзистора активного элемента применена и так называемая классическая мостовая схема.

Принципиальная схема высокочастотного кварцевого генератора по схеме Пирса с использованием классической схемы стабилизации положения рабочей точки транзистора, приведена на рис. 3.15. В данном случае частота генерируемого сигнала может составлять от 1 МГц до 3 МГц.

Рис. 3.15. Принципиальная схема кварцевого трехточечного генератора по схеме Пирса с частотой от 1 МГц до 3 МГц

Как и в рассмотренной ранее схеме активный элемент генератора выполнен на биполярном транзисторе VT1, который по переменному току включен по схеме с общим эмиттером. Однако в данной схеме положение рабочей точки транзистора VT1 определяется соотношением величин сопротивлений резисторов R1 и R2, образующих делитель напряжения в цепи базы транзистора. В состав мостовой схемы стабилизации положения рабочей точки в данном случае помимо резисторов R1 и R2 входит резистор R3, включенный в цепи эмиттера транзистора VT1. По высокой частоте резистор R3 образует цепь положительной обратной связи, глубина которой уменьшается подключением конденсатора С3. Таким образом, стабилизация положения рабочей точки обеспечивается использованием цепи отрицательной обратной связи по току за счет подключения резистора R3 и конденсатора С3 в цепь эмиттера транзистора VT1. Более подробно принцип действия такой цепи ООС был рассмотрен в соответствующем разделе одной из предыдущих глав.

Для того, чтобы каскад начал работать в режиме генерации колебаний, необходимо обеспечить сдвиг фазы между выходом и входом активного элемента на 180°. Выполнение этого условия обеспечивается соответствующим включением конденсаторов С2, С4 и С5. Емкости конденсаторов С2 и С4 следует выбирать максимально возможными, однако их величины ограничены возможностями транзистора VT1 по обеспечению самовозбуждения каскада. Поэтому в данной конструкции рекомендуется применять транзистор с максимальным усилением по току. Напомним, что рассматриваемое схемотехническое решение основано на использовании индуктивной составляющей комплексного сопротивления кварцевого резонатора BQ1, который работает в режиме, близком к режиму параллельного резонанса. Резонансную частоту в незначительных пределах можно регулировать с помощью подстроечного конденсатора С1, который включен последовательно с кварцевым резонатором BQ1.

На конденсаторах С4 и С5 собран емкостной делитель, с которого снимается выходной сигнал. Входное комплексное сопротивление активного элемента генератора определяется величиной емкости конденсатора С2, а выходное – емкостями конденсаторов С4 и С5. Емкость конденсатора С5 сравнительно велика, поэтому его емкостным сопротивлением в данном случае можно пренебречь. Этот конденсатор обеспечивает благоприятные условия для снятия выходного сигнала с коллектора транзистора VT1.

Необходимо отметить, что в случае, если напряжение источника питания достаточно велико, высокочастотный дроссель L1 в цепи коллектора транзистора можно заменить обычным резистором.

Данное схемотехническое решение практически без каких-либо изменений можно использовать при построении генератора с более высокой рабочей частотой. Например, при использовании кварцевого резонатора BQ1, имеющего частоту от 3 МГц до 10 МГц емкость конденсатора С1 должна быть уменьшена до 330 пФ, емкость конденсатора С2 – до 150 пФ, а емкость конденсатора С4 – до 1500 пФ. При использовании кварцевого резонатора BQ1, имеющего частоту от 10 МГц до 30 МГц емкость конденсатора С1 должна быть уменьшена до 180 пФ, емкость конденсатора С2 – до 47 пФ, а емкость конденсатора С4 – до 330 пФ.

Для получения более высоких значений частот сигнала используются схемотехнические решения так называемых гармониковых генераторов по схеме Пирса, в которых частота генерации представляет собой одну из нечетных гармоник частоты кварцевого резонатора. Чаще всего это третья, пятая или седьмая гармоники. Однако рассмотрение таких схем выходит за рамки данной книги.

Генераторы Пирса вполне заслуженно считаются генераторами с наилучшей кратковременной стабильностью частоты. Однако недостатком таких схем является сравнительная сложность. К тому же особое внимание следует уделять качественной стабилизации базового тока транзистора. Недостатком генераторов по схеме Пирса можно считать и то, что ни один из выводов кварцевого резонатора не подключен к шине корпуса.

При разработке транзисторных микропередатчиков и радиомикрофонов нередко используется схемотехническое решение трехточечного кварцевого генератора, в котором транзистор активного элемента по переменному току включен по схеме с общим коллектором. При этом кварцевый резонатор, имеющий индуктивный характер реактивного сопротивления, входит в состав параллельного резонансного контура в качестве индуктивной ветви. Емкостная ветвь этого контура образована двумя включенными последовательно конденсаторами, в точку соединения которых подается сигнал с выхода активного элемента (рис.  3.13б). В результате конденсаторы образуют емкостной делитель в цепи положительной обратной связи, поэтому такую схему кварцевого генератора часто называют схемой Колпитца. Принципиальная схема кварцевого трехточечного генератора по схеме Колпитца приведена на рис. 3.16. Частота генерируемого сигнала может составлять от 10 МГц до 25 МГц при выходном эффективном напряжении от 200 мВ до 300 мВ.

Рис. 3.16. Принципиальная схема кварцевого трехточечного генератора по схеме Колпитца с частотой от 10 МГц до 25 МГц

В рассматриваемой конструкции транзистор VТ1 по постоянному току включен по схеме с общим эмиттером. При этом положение рабочей точки транзистора определяется величиной сопротивлений резисторов R1 и R2, образующих делитель напряжения. По переменному току транзистор VТ1 включен по схеме с общим коллектором, поскольку по высокой частоте его коллектор заземлен через конденсатор С5 сравнительно большой емкости.

Высокочастотные колебания возникают в колебательном контуре, включенном по переменному току между базой транзистора VТ1 и шиной корпуса. Резонансный контур образован кварцевым резонатором BQ1 и конденсаторами С1, С2, С3 и С4. Сигнал, сформированный в эмиттерной цепи транзистора VТ1, то есть на выходе активного элемента, подается на емкостной делитель, образованный конденсаторами С3 и С4, входящий в состав резонансного контура. Снимаемое с емкостного делителя напряжение подается во входную цепь активного элемента, а именно на базу транзистора VТ1, в результате чего каскад оказывается охваченным положительной обратной связью. Величина напряжения ОС, и, соответственно, глубина обратной связи, определяется соотношением величин емкостей конденсаторов С3 и С4.

Необходимо отметить, что при стабилизации положения рабочей точки транзистора VT1 указанным способом, то есть с помощью мостовой схемы, в состав которой входят резисторы R1, R2 и R4, резисторный делитель оказывает заметное влияние на добротность кварцевого резонатора BQ1. Это влияние объясняется тем, что при сравнительно высоком входном сопротивлении транзистора элементы указанного делителя выступают в качестве дополнительной нагрузки пьезоэлектрического элемента. В результате уменьшение добротности кварцевого резонатора может привести к ухудшению параметров всего каскада. Решить данную проблему можно либо выбором возможно больших величин сопротивлений резисторов делителя, либо применением более простых схем стабилизации положения рабочей точки транзистора (без резисторного делителя). Однако во втором случае, скорее всего, стабильность положения рабочей точки будет хуже.

Емкость конденсаторов С3 и С4, которые используются в емкостном делителе, следует выбирать возможно большей, особенно если в качестве активного элемента каскада применяется транзистор с менее качественными высокочастотными параметрами. При этом емкость конденсатора С4 в выходной цепи обычно выбирается в 2–3 раза большей, чем емкость конденсатора С3. Высокая суммарная емкость позволяет последовательно с кварцевым резонатором включить цепочку из двух включенных параллельно конденсаторов С1 и С2. Подстроечный конденсатор обеспечивает возможность регулировки рабочей частоты генератора в незначительных пределах.

Рассмотренное схемотехническое решение может стать основой транзисторного генератора с выходной частотой до 100 МГц. Однако в этом случае рекомендуется использовать гармонические составляющие основной частоты генерации. К достоинствам схемы Колпитца следует отнести и то, что один из выводов кварцевого резонатора BQ1 при необходимости может быть подключен непосредственно к шине корпуса. Для этого достаточно исключить из схемы конденсаторы С1 и С2.

Не менее интересным представляется схемотехническое решение емкостной трехточки с включением кварцевого резонатора между эмиттером и коллектором транзистора активного элемента (рис. 3.13в). Такую схему часто называют схемой Клаппа. Принципиальная схема кварцевого трехточечного генератора по схеме Клаппа приведена на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Принципиальная схема кварцевого генератора с включением транзистора по схеме с общей базой (схема Клаппа)

Транзистор VТ1 по постоянному току включен по схеме с общим эмиттером. При этом положение рабочей точки транзистора определяется величиной сопротивлений резисторов R1 и R2, образующих делитель напряжения. По переменному току транзистор VТ1 включен по схеме с общей базой, поскольку по высокой частоте его база заземлена через конденсатор С1 сравнительно большой емкости. Стабилизация положения рабочей точки транзистора VT1 обеспечивается мостовой схемой, в состав которой помимо резисторов R1 и R2 входит резистор R4 в цепи эмиттера транзистора.

Кварцевый резонатор BQ1 включен в выходной цепи активного элемента, между коллектором транзистора VT1 и шиной корпуса. Связь выходной и входной цепей активного элемента обеспечивается включением между коллектором и эмиттером транзистора VT1 емкостного делителя, образованного конденсаторами С3 и С4. Емкости этих конденсаторов следует выбирать максимально возможными, однако не следует забывать о том, что одновременно с их увеличением уменьшается глубина обратной связи, что приводит к ухудшению режима работы кварцевого резонатора BQ1. В данном случае емкостной делитель подключен параллельно резонатору, поэтому его общее емкостное сопротивление должно быть хотя бы в два раза больше, чем внутреннее сопротивление резонатора, для того, чтобы обратная связь имела достаточную глубину. При необходимости величины емкостей конденсаторов С3 и С4 можно уменьшить. Параллельно конденсатору С3 рекомендуется подключить подстроечный конденсатор С5.

Из схемы видно, что для достижения высокого выходного сопротивления каскада величина сопротивления резистора R3 в цепи коллектора транзистора VT1 должна быть большой. Однако реализация этого условия довольно сложна, поскольку одновременно необходимо обеспечить стабильный режим работы транзистора. В этом заключается один из недостатков рассматриваемого схемотехнического решения. Тем не менее, при соблюдении определенного компромисса можно сконструировать генератор с весьма приемлемыми параметрами.

При выборе величины сопротивления резистора R3 не следует забывать о том, что его малое значение одновременно с уменьшением выходного сопротивления каскада приводит к уменьшению добротности кварцевого резонатора, который работает в режиме параллельного резонанса. Увеличить сопротивление резистора R3 можно за счет увеличения напряжения источника питания. При низком напряжении питания вместо резистора R3 рекомендуется включить дроссель.

Кварцевые генераторы — Генераторы — Основы электроники

Генераторы

Кварцевые генераторы — это генераторы, в которых кристалл специальной огранки управляет частотой. Кристаллы представляют собой тонкие листы или пластины, вырезанные из пьезоэлектрического материала. и отшлифовать до определенной толщины, чтобы получить желаемая резонансная частота. Кристаллы обладают характеристикой, известной как пьезоэлектрический эффект . Пьезоэлектрический эффект — это свойство кристалла, благодаря которому механически силы производят электрические заряды и, наоборот, электрические заряды производят механические силы. Этот эффект представляет собой форму колебаний, аналогичную эффект маховика баковой цепи.

Кристаллы установлены в держателях, поддерживающих их физически и обеспечивают электроды, с помощью которых подается напряжение. Держатель должны обеспечивать свободу кристаллов для вибрации. Кварцевый генератор обычно используется для получения выход, который является очень стабильным и на очень точной частоте. Кристалл можно использовать с емкостной схемой или он может работать отдельно.

Пьезоэлектрический эффект можно наблюдать в ряде кристаллических веществ. Среди них кварц, сегнетовая соль и турмалин. Хотя кварц не проявляет пьезоэлектрический эффект в такой степени что сегнетова соль делает, кварц используется для управления частотой в генераторах из-за большей механической прочности. Турмалин физически силен как кварц; но поскольку он более дорогой, он не используется широко в качестве устройство определения частоты. Это обсуждение будет касаться только кварца. кристалл.

Фактор Q кристалла во много раз больше, чем у контур бака LC. Высокий Q присутствует, потому что сопротивление в кристалл маленький. Коммерчески производимые кристаллы обычно варьируются в диапазоне Q от от 10 ⁴ до 10 ⁶ . Высокий Q вызывает стабильность частоты быть намного больше, чем у обычной схемы бака LC. Это причина кристалл используется во многих схемах генератора синусоидального сигнала.

Величина тока, которая может безопасно пройти через кварц, составляет ограниченный. При превышении номинального тока амплитуда механического вибрация становится слишком большой, и кристалл может треснуть. Перегрузка кристалла влияет на частоту вибрации, потому что рассеиваемая мощность и кристалл повышение температуры с увеличением тока нагрузки.

Кристаллы как настроенные схемы

Частота, до которой отшлифован кристалл, называется собственная резонансная частота кристалла. Напряжение, подаваемое на кристалл производит механические колебания, которые, в свою очередь, создают выходное напряжение при собственная резонансная частота кристалла. Вибрирующий кристалл может быть представлена ​​эквивалентной электрической цепью, состоящей из емкости, индуктивность и сопротивление.

На рисунке ниже вид (А) иллюстрирует символ кристалла; вид (Б) показана эквивалентная схема для кристалла. Конденсатор C _S , индуктор L _С , и резистор R _S на виде (Б) представляют электрические аналог кристалла кварца. C _P представляет собой емкость между металлическими пластинами держатель кристалла.

Кварцевый кристалл и эквивалентная схема.

Емкость держателя C _P примерно в 100 раз больше велика, как вибрационная емкость, C _S , самого кристалла. Наличие как последовательных, так и параллельных резонансных частот выявляется характеристика импеданса в зависимости от частоты типичного кристалла кварца показано на рисунке ниже. Эта кривая очень острая, что указывает на высокий уровень В . На практике установлено, что соотношение L / C эквивалента контур чрезвычайно велик по сравнению с контуром обычного бака. Для большинства кристаллов разница в частоте между f _P и f _S очень мал по сравнению с резонансным рядом частота кристалла.

Частотная характеристика кристалла.

В зависимости от характеристик схемы кристалл может действовать как конденсатор, индуктор, последовательный резонансный контур или параллельный резонансный контур. При последовательном резонансе ( f _S ) емкости C _S и индуктивность L _S , у кристалла минимум полное сопротивление и резонансная частота контура генератора определяется только механическими вибрационными характеристиками кристалла. Выше резонанса последовательный резонансный контур действует индуктивно , а ниже резонанса его действует емкостно .

Последовательная резонансная частота кристалла определяется как

Выше частоты последовательного резонанса ( f _S ) индуктивная реактивное сопротивление индуктивности L _S больше емкостного реактивное сопротивление емкости C _S . Комбинация ( L _S и C _S ) отображается как результирующая индуктивность. Эта чистая индуктивность образует параллельный резонансный контур с емкостью C _P и любая емкость цепи, появляющаяся на кристалле. Параллельный резонансный контур имеет максимум импеданс на параллельно-резонансной частоте. Ниже резонанса параллельный резонансный контур действует индуктивно , а над резонансом его действует емкостно .

Параллельная резонансная частота кристалла определяется как

Генератор Армстронга с кварцевым управлением

Генератор Армстронга с кварцевым управлением (см. рисунок ниже) использует последовательно-резонансный режим работы кристалл и работает аналогично базовый генератор Армстронга с настроенным коллектором. Повышенная стабильность частоты достигается при вставке кристалл на пути обратной связи. Однако частота в основном фиксируется кристалл. Для получения генератора с переменной частотой использовались различные кристаллы можно включить в цепь. Переменный конденсатор C ₁ марка схема настраивается на выбранную частоту кристалла.

Осциллятор Армстронга, управляемый кристаллом.

Рекуперативная обратная связь от коллектора к базе осуществляется через взаимную индуктивность. между обмотками трансформатора Т ₁ . Это обеспечивает необходимый фазовый сдвиг на 180 градусов для сигнала обратной связи. Резисторы R _B , R ₁ и R _C обеспечивают напряжения смещения базы и коллектора. Конденсатор С _Е обходит колебания переменного тока вокруг эмиттерного резистора R _E . На частотах выше и ниже последовательно-резонансной частоты выбранного кристалла, импеданс кристалла увеличивается и уменьшается количество сигнал обратной связи. Это, в свою очередь, предотвращает колебания при частот, отличных от частоты последовательного резонанса.

Кварцевый осциллятор типа Колпитца

Этот генератор использует кварцевый блок в качестве параллельного резонансного контура. это модифицированный Осциллятор Колпитца, который был описан ранее. Они работают так же, за исключением того, что кристалл единица заменяет катушку индуктивности основного генератора Колпитца.

Кварцевый генератор типа Колпитца, конфигурация с общим эмиттером.

На рисунке выше показана конфигурация генератора Колпитца с общим эмиттером. с обратной связью от коллектора к базе. Резисторы в схеме обеспечивают надлежащие условия смещения и стабилизации. Кристаллический блок и конденсаторы C ₁ и C ₂ определить выходную частоту генератора. Конденсаторы С ₁ и C ₂ образуют делитель напряжения для этой цепи. Сигнал, полученный в точке А, не совпадает по фазе с сигналом на 180 градусов. в точке B. Следовательно, сигнал в точке B может быть возвращен на базу Q в качестве регенеративного сигнала обратной связи для поддержания колебания.

Схема генератора — ECS Inc. International

Авторы: Дэвид Мини, вице-президент по глобальным техническим продажам и маркетингу, и Дин Кларк, директор по операциям в Европе, ECS Inc. International

Что такое осциллятор?

Генератор представляет собой электронную схему, генерирующую повторяющийся сигнал. Этот сигнал может быть во многих формах в зависимости от приложения. Некоторым приложениям требуются базовые часы для поддержания рабочих интервалов для процессов. Для других приложений требуются часы с очень чистой формой волны и высокой стабильностью для обеспечения высококачественной связи и передачи данных.

В аналоговых приложениях, таких как РЧ-радиотрансиверы, которые используют супергетеродин для приема и передачи цепочек сигналов, обычно обнаруживаются синусоидальные формы выходных сигналов. Синусоида представляет собой непрерывную волну, представляющую собой гладкие периодические колебания. При радиочастотной связи синусоидальный выход генератора обеспечивает точную опорную частоту с низким уровнем шума для трансивера.

В цифровой электронике мы видим прямоугольные выходные сигналы. Прямоугольные волны — это форма волны, амплитуда которой изменяется от минимальной до максимальной с постоянной частотой. Идеальная прямоугольная волна будет иметь минимальный и максимальный периоды равной продолжительности, и это будет иметь рабочий цикл 50/50%. На практике рабочий цикл будет иметь некоторые отклонения, поэтому более типичными могут быть значения 45/55% или 60/40%. Выходной сигнал прямоугольной формы имеет множество применений, но широко используется для измерения времени выполнения инструкций в схеме или микропроцессоре.

Генераторы

Генераторы могут иметь несколько различных типов резонаторов, связанных с ними. Самым продуктивным и эффективным из них является кварц. Вы также можете найти генераторы, в которых используются керамические резонаторы, резонаторы на основе SAW[1] или MEMS[2] в качестве отправной точки для рабочей частоты. Они используют механическую вибрацию или настроенные полости для генерации тактового сигнала. В случае генератора на основе кварца состав кварцевого материала и углы, под которыми срезан кристалл, делают этот тип генератора очень точным и стабильным в широком диапазоне температур. Процесс изготовления кварцевых заготовок для генераторов занимает много времени и включает множество этапов для обеспечения неизменно высокого качества продукта, но они обеспечивают значительно более высокую стабильность по сравнению с RC-генераторами.

Принципы работы генератора

Принцип схемы генератора заключается в стабильном выходном сигнале. Один из способов добиться этого — использовать петлю положительной обратной связи. Здесь часть выходного напряжения является обратной связью со входом без чистого фазового сдвига, что усиливает выходной сигнал. Затем сигнал усиливается и снова зацикливается, вызывая рост выходного сигнала. Усиление в контуре обратной связи должно регулироваться до единичного усиления, иначе сигнал будет обрезан и искажен.

Рисунок 1 – Контур обратной связи генератора, показывающий условия для генерации решает, каким должно быть усиление контура обратной связи.

Рисунок 2 – Конструкция генератора Пирса с использованием процессора с инвертором и резистором обратной связи.

На рис. 2 показана схема генератора Пирса, обычно используемая в цифровых процессорах. В этом типе конструкции кварцевого генератора фильтр состоит из эквивалентной модели кварцевого резонатора и внешних нагрузочных конденсаторов. Точная частота, на которой будет работать генератор, зависит от угловых сдвигов фазы контура в цепи генератора. Изменения фазового угла приведут к изменению выходной частоты.

Время запуска

Время запуска — это период, когда осциллятор впервые включается. В этот период будут неустойчивости, пока колебания не стабилизируются. Время запуска обычно измеряется в микросекундах (мкс), но оно зависит от частоты и контролируется контуром обратной связи. Величина усиления замкнутого контура оказывает большое влияние на время запуска. Факторы, отрицательно влияющие на коэффициент усиления замкнутого контура, включают низкий уровень возбуждения, более высокие значения емкостной нагрузки кристалла (CL) и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Низкий коэффициент усиления может привести к чрезмерно долгому времени запуска, а слишком высокий коэффициент усиления может привести к полному сбою запуска или перенапряжению кристаллической структуры. Идеальный коэффициент усиления зависит от отрицательного сопротивления цепи генератора, где привод должен преодолеть отрицательное сопротивление для запуска и создания выходного сигнала генератора. Из-за этого частота генератора напрямую влияет на время запуска, поэтому время, необходимое для обращения по петле, значительно больше для генератора кГц, чем для генератора МГц. Плохой запас по усилению является распространенной проблемой в генераторах кГц, поскольку уровни возбуждения на порядок ниже, а ESR кварца на порядок выше. Чтобы преодолеть эти проблемы, требуется тщательное проектирование, чтобы согласовать уровни возбуждения с подходящими значениями CL и ESR.

Реактивное сопротивление

Импеданс кварцевого кристалла изменяется настолько резко при изменении приложенной частоты, что все остальные компоненты схемы можно рассматривать как имеющие по существу непрерывное реактивное сопротивление. Следовательно, когда кварцевый блок используется в контуре обратной связи генератора, частота кварцевого блока будет регулироваться сама по себе, так что ее реактивное сопротивление будет удовлетворять коэффициенту усиления по фазе контура. Зависимость реактивного сопротивления кварцевого кристалла от частоты показана на рисунке 3.9.0003

Рис. 3. Кривая зависимости реактивного сопротивления от частоты

Блок кварцевого кристалла можно заставить колебаться в любой точке вдоль линии между последовательными и параллельными резонансными точками путем включения реактивных компонентов (см. Рис. 3, линия). с пометкой «Емкостная нагрузка»), например, конденсаторы в контуре обратной связи схемы генератора. Частота, возникающая в результате добавления емкости, выше, чем последовательная резонансная частота; ее обычно называют параллельной частотой, однако она меньше фактической параллельной частоты. Поскольку с кварцевым кристаллом связаны две частоты нулевых фаз, существует два типа схем генератора. Эти схемы определяются типом используемого кристалла. Они либо последовательно резонансные, либо параллельные резонансные.

Серийная схема

В симметричной LC-цепи резонансная частота — это частота, при которой реактивное сопротивление индуктивности и реактивное сопротивление емкости компенсируют друг друга, оставляя только резистивное значение. На рис. 4 показан последовательный резонансный контур.

Рис. 4 – Последовательный резонансный контур

Параллельный Цепь

Параллельный резонансный генератор использует кварцевый генератор с определенной емкостью нагрузки. Это создаст результат, в котором частота кристалла выше, чем резонансная частота последовательного, но ниже, чем истинная частота параллельного резонанса. Эти схемы не предлагают других маршрутов, кроме как через блок Crystal для завершения цикла обратной связи. В случае отказа блока кристалла цепь больше не будет продолжать колебаться. Ниже приведено простое описание параллельного резонансного контура. 9Рисунок 5 – Параллельный резонансный контур При работе в сочетании с внешней нагрузочной емкостью (CL) кварц колеблется в частотном диапазоне немного выше его последовательной резонансной частоты. Это параллельная (резонансная) частота. При заказе параллельного резонатора всегда указывайте номинальную параллельную резонансную частоту и емкость нагрузки цепи в пикофарадах (пФ).

Приблизительное уравнение для пределов вытягивания кристалла:

Пределы ∆f зависят от добротности кристалла и паразитной емкости цепи. Если известна емкость шунта, емкость движения и емкость нагрузки, среднее значение сопротивления на пФ можно найти с помощью:

. значение емкости. Это используется в VCO, VCXO и VCTCXO для получения частоты.

Емкость нагрузки

Емкость нагрузки — это величина емкости внешней цепи, параллельной самому кристаллу. В этом примере мы видим, что режим параллельного резонанса кристаллов всегда выше частоты последовательного резонанса и характеризуется индуктивным сопротивлением. В режиме параллельных резонансных колебаний индуктивность кристалла (подвижная индуктивность) параллельна емкости нагрузки генератора, тем самым образуя LC-контур. Этот LC определяет частоту генератора.

При указании последовательного резонансного кристалла емкостью нагрузки можно пренебречь, поскольку динамическая индуктивность и динамическая емкость кристалла являются единственными компонентами LC, определяющими частоту колебаний.

CL можно определить по формуле:

Например, где CL1 и CL2 — нагрузочные конденсаторы, а C _S — паразитная емкость цепи, обычно 3 пФ ~ 5 пФ. Следует отметить, что изменение значения емкости нагрузки приведет к изменению выходной частоты генератора.

Если требуется точное управление частотой, необходимо точно указать емкость нагрузки. Для демонстрации предположим, что кварцевый блок рассчитан на работу на частоте 20 МГц с емкостью 20 пФ. Предположим, что кварцевый блок затем помещается в цепь, которая имеет оценку 30 пФ.

В этом случае частота кристалла будет ниже указанного значения. Наоборот, если рассматриваемая схема имеет оценку 10 пФ, частота будет выше указанного значения. Связь между частотой и емкостью нагрузки показана на рис. 6.9.Рис. 6. Частота в зависимости от емкости нагрузки Мощность зависит от приложенного тока и обычно выражается в милливаттах (мВт) или микроваттах (мкВт). Модули кристалла определены как имеющие определенные максимальные значения уровня возбуждения, которые преобразуются в зависимости от частоты и режима работы. Превышение максимального уровня возбуждения для данного блока кристалла может привести к нестабильной работе, включая ускоренное старение, а в некоторых случаях и к полному выходу из строя кристалла. Уровень возбуждения можно рассчитать по следующему уравнению:

МОЩНОСТЬ = (I _{среднеквадратичное значение} ² * R)

Отрицательное сопротивление 

Для оптимальной работы схема генератора должна быть спроектирована таким образом, чтобы увеличить отрицательное сопротивление, которое иногда называют допуском колебаний. Определить величину отрицательного сопротивления можно путем последовательного включения переменного резистора.

Оценка величины отрицательного сопротивления в каждой цепи осуществляется путем временной установки переменного резистора последовательно с кварцевым блоком. Резистор должен быть изначально установлен на самое низкое значение, желательно близкое к нулю Ом. Затем запускается генератор, и его выходной сигнал контролируется на осциллографе. Затем переменный резистор настраивается так, чтобы сопротивление увеличивалось, в то время как выход постоянно контролировался. При некотором значении сопротивления колебание прекратится. В этот момент переменный резистор измеряется, чтобы определить омическое значение, при котором колебание прекращается. К этому значению необходимо добавить максимальное сопротивление кварцевого блока, указанное производителем. Полное омическое сопротивление считается отрицательным сопротивлением или допуском колебаний.

Для хорошей и надежной работы цепи рекомендуется, чтобы отрицательное сопротивление было как минимум в пять раз больше указанного максимального значения эквивалентного последовательного сопротивления кварцевого блока. Значения отрицательного сопротивления, превышающие пятикратное максимальное сопротивление кристаллического блока, еще лучше. Поскольку отрицательное сопротивление имеет тенденцию к уменьшению при повышенной температуре, рекомендуется проводить испытание при самой высокой температуре рабочего диапазона.

Генератор крутизны

Еще один способ определить, будет ли генератор стабильно запускаться, — это рассмотреть крутизну. Чтобы гарантировать, что колебание начнется и достигнет стабильной фазы, генератор должен обеспечить достаточное усиление, чтобы компенсировать потери в колебательном контуре и обеспечить энергию для нарастания колебаний. Как обсуждалось в разделе «Запуск», отношение между коэффициентом усиления генератора и критическим коэффициентом усиления контура генерации не может превышать 1, так как это приведет к слишком долгому времени запуска генератора или даже к полной остановке запуска. Конструкторы должны стараться уложиться в запас по усилению больше 5. Эти параметры определяются по формуле запас по усилению = gm/g _mcrit ≥ 5 гм — крутизна генератора, указанная в техническом описании ИС.

Для генераторов МГц крутизна находится в диапазоне десятков мА/В, тогда как для генераторов кГц крутизна находится в диапазоне от нескольких до нескольких десятков мкА/В, в зависимости от изделия.

g _mcrit определяется как минимальная крутизна генератора, необходимая для поддержания стабильного колебания.

Предполагая, что в конструкции используются одинаковые значения CL1 и CL2, и что нагрузка на кристалл такая же, как и на CL кристалла, г _mcrit выражается следующим образом:

При рассмотрении запуска генератора важен выбор параметров кристалла; снижение ESR, частоты, C0 и CL уменьшит g _mcrit и, таким образом, максимизирует запас усиления.

Частота в зависимости от режима обертонов

Частота кварцевого кристалла ограничена физическими размерами вибрирующего кварцевого элемента. В некоторых случаях ограничивающими размерами являются длина и ширина. Наиболее популярным кристаллическим блоком является кристалл огранки AT. Предельным размером является толщина вибрирующего кварцевого элемента. По мере уменьшения толщины частота повышается. В какой-то момент, обычно около 50 МГц, толщина кварцевой пластины становится слишком хрупкой для использования в полевых условиях.

Если вам нужно разработать генератор на более высоких частотах, который будет достаточно надежным для работы в полевых условиях, мы можем рассмотреть возможность использования одной из других резонансных частот. Это более низкие частоты амплитуды, которые генерируются как гармоники. Все эти гармоники будут иметь нечетные целые числа основной частоты. Следовательно, если кварцевый блок имеет основную частоту 10 МГц, его также можно заставить колебаться в 3, 5, 7 и т. д. раз больше основной частоты. То есть единица будет колебаться с частотой 30 МГц, 50 МГц и 70 МГц и т. д. Эти кратные основной частоте называются обертонами и идентифицируются целым числом умножения, например, третий обертон, пятый обертон, седьмой обертон и т. д. ● Когда требуется использование на частоте обертона, кварцевый блок должен быть настроен для работы на желаемой частоте и на желаемом обертоне. Никогда не следует пытаться заказать кварцевый блок основной моды, а затем использовать его на частоте обертонов. Это связано с тем, что процесс производства кристаллов отличается для основных и обертоновых кристаллов.

Во многих случаях характеристики интегральной схемы, используемой в конструкции генератора, требуют подавления основной частоты кварца, чтобы обеспечить работу на желаемой частоте, а не на более мощной основной частоте. Необходимо доработать схему генератора. Одним из способов модификации является добавление контура бака, состоящего из катушки индуктивности и конденсатора. Эти модификации показаны на рис. 7 и рис. 8 для последовательных и параллельных резонансных цепей.

Рисунок 7 — Модификация последовательной резонансной цепи Рисунок 8 — Модификация параллельной резонансной цепи

В обоих случаях цепь резервуара настроена на резонанс на некоторой частоте между фундаментальной и желаемой частотой. Это изолирует желаемую частоту и шунтирует остальные на землю, оставляя только желаемую частоту на выходе генератора.

Конструктивные соображения

При проектировании схемы генератора или компоновке платы для генератора необходимо учитывать определенные конструктивные соображения. Всегда рекомендуется избегать параллельных дорожек, чтобы уменьшить емкость лотка. Все дорожки должны быть как можно короче, а компоненты должны быть изолированы, чтобы предотвратить сопряжение. Для изоляции сигналов следует использовать заземляющие плоскости.

Существует множество других терминов, с которыми вам необходимо ознакомиться во время разработки. ЭКС. Inc предлагает широкий выбор продуктов для управления частотой и магнитных полей. Существует также обширная библиотека с техническими руководствами, обучающими видео и эталонными проектами, которые вы можете просмотреть. 9Веб-сайт ECS Inc. Однопортовый резонатор на ПАВ имеет один IDT (Inter Digital Transducer), изготовленный на кварцевой подложке, он генерирует и принимает ПАВ.