Кварцевый генератор

 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в качестве высокостабильного источника опорной частоты. Целью изобретения является повышение стабильности частоты при повышении коэффициента полезного действия. Кварцевый генератор содержит первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4, пятый 5, шестой 6, седьмой 7 и восьмой 8 транзисторы, первый 9 и второй 10 источники тока, кварцевый резонатор (КР)11, первый 12 и второй 13 резисторы , блок 14 стабилизации амплитуды, шины питания 15 и 16 и общую шину 1 7. Коэффициент усиления сигнала в активной части определяется отношением токов первого 9 и второго 10 источников тока, которое легко сделать стабильным, а также зависит от величины тока через КР 11,который стабилизируется блоком 14. При этом коэффициеит усиления не зависит ни от температуры, ни от каких-либо параметров всех транзисторов, высокая стабильность всех коэффициентов усиления сигнала в активной части обусловливает повышенную стабильность эквивалентного отрицательного сопротивления в точках подключения КР 11 и соответственно этому повышение стабильности частоты. При этом уменьшены токи смещения транзисторов и потребляемая мощность. 2 ил. (Л

COIO;I СОВГ ТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sI>s Н 03 В 5/36

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОспАтент ссср1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ

L (21) 4878391/09 (22) 29,10.90 (46) 23,01.93. Бюл, ¹ 3 (76) В.Г.Прокопенко (56) Авторское свидетельство СССР

¹1573526,,кл. Н 03 В 5/36, 05.04.88. (54) КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР (57) Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в качестве высокостабильного источника опорной частоты.

Целью изобретения является повышение стабильности частоты при повышении коэффициента полезного действия. Кварцевый генератор содержит первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4, пятый 5, шестой 6, седьмой 7 и восьмой 8 транзисторы, первый 9 и второй 10 источники тока, кварцевый резонатор (l(P) 11, первый 12 и второй 13 резиПредполагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве высокостабильного источника опорной частоты.

Известен кварцевый генератор, содержащий резонансный усилитель и эмитгерный повторитель, охваченные положительной обратной связи через кварцевый резонатор, причем в цепь кварцевого резонатора включены входные элементы системы автоматической регулировки амплитуды (АРА), которая управляет крутизной активного элемента резонансного усилителя, Недостаток данного кварцевого генератора — наличие в цепи кварца дополнительных элементов, необходимых для снятия сигнала, подаваемого на вход системы APA.

Вносимое ими сопротивление в цепь кварца уменьшает эквивалентную добротность кварцевого резонатора. а гакже является

„., Ы„, 1790799 АЗ сторы, блок 14 стабилизации амплитуды, шины питания 15 и 16 и общую шину 17.

Коэффициент усиления сигнала в активной части определяется отношением токов первого 9 и второго 10 источников тока, которое легко сделать стабильным, а также зависит от величины тока через КР 11,который ста. билизируется блоком 14. При этом коэффициент усиления не зависит ни от температуры, ни от каких-либо параметров всех транзисторов, высокая стабильность всех коэффициентов усиления сигнала в активной части обусловливает повышенную стабильность эквивалентного отрицательного сопротивления в точках подключения

KP 11 и соответственно этому повышение стабильности частоты. При этом уменьшены токи смещения транзисторов и потребляемая мощность. 2 ил. источником дополнительных шумов, что обусловливает увеличение нестабильности частоты. Кроме этого, коэффициент усиления резонансного усилителя в данном генераторе нестабилен, т.к. Пропорционален нестабильной величине крутизны транзистора. Поэтому для уменьшения дестабилизирующего влия ния нестабильности коэффициента усиления сигнала в активной части генератора необходимо значительное усиление в цепи АРА, что приводит к повышению уровня шума на ее выходе и увеличению за счет этого нестабильности частоты данного генератора, Недостатком рассматриваемого генератора является также то, что токи смещения активных элементов в нем должны меть значения, превышаюГдие амплитуду тока кварца по крайней мере в 1,5-2 раза, во избежание значительного увеличения входного и выходного гопро нвлений

1790799 активной части генератора в точках подключения генератора, и снижения за счет этого эквивалентной добротности последнего. B результате данный кварцевый генератор имеет повышенное потребление мощности, что понижает его экономичность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является кварцевый генератор,"содержащий первый транзистЬр, эмиттер которого соединен с коллектором второго транзистора, третий транзистор, первый и второй резисторы, первые выводы которых подключены к первой шине питания, кварцевый резонатор и блок стабилизации амплитуды.

Этот кварцевый генератор имеет следующие недостатки: измерительные элементы системы APA включены непосредственно в цепь кварцевого резонатора, коэффициент усиления сигнала в активной части генератора имеет низкую стабильность, что уменьшает. стабильность частбты генерируемых колебаний. Кроме этого; генератор имеет повышенное потребление мощности, что снижает его коэффициент полезного действия.

С одной стороны, включенные в цепь кварцевого резонатора входные элементы системы АРА; в том числе измерительный резистор, соединеннйе последовательно с кварцем, является источником дополнительных шумов в наиболее чувствительной цепи генератора, а также уменьшают эквивалентную добротность кварцевого резонатора, что обусловливает увеличение как кратковременной, так и долговременной нестабильностии частоты кварцевого генератора, С другой стороны, при уменьшении величины сопрбтивления измерительного резистира ухудшается .отношение сигнал/шум на входе системы АРА, что приводит к росту относительного уровня шумовой составляющей сигнала на ее выходе и, таким образом, также приводит к увеличению нестабильности частоты. При этом, вследствие нестабильности коэффициента усиления сигнала в активной части генератора, требуется высокое усиление в системе АРА, что подчеркивает недостатки, связанные с включением ее входных элементов в цепь кварцевого резонатора.

Кроме этого, так как токи смещения транзисторов в данйом кварцевом генераторе должны превышать по величине амплитуду тока кварца, генератор имеет низкий коэффициент полезного действия.

Цель изобретения — повышение стабильности частоты при повышении коэффициента полезного действия, Поставленная цель достигается тем, что

В кварцевый генератор, содержащий первый транзистор, емиттер которого соединен с коллектором второго транзистора, третий транзистор, первый и второй резисторы, первые выводы которых подключены к первой шине питания, кварцевый резонатор и блок стабилизации амплитуды, дополнительно введены четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой транзисторы, первый и второй источники тока, при этом база второ10 го транзистора соединена с эмиттером первого транзистора, база и коллектор которого через первый источник тока подключены к первой шине питания, и непосредственно — к базам третьего и четвертого

15 транзисторов, второй вывод первого резистора соединен с коллектором третьего и четвертого транзисторов и с входом блока стабилизации амплитуды, эмиттер третьего транзистора соединен с базой пятого тран20 зистора и с коллектором шестого транзистора, эмиттер которого соединен с эмиттерами второго и восьмого транзисторов и подключен к общей шине, эмиттер четвертого транзистора соединен с базой

2О седьмого транзистора, с базой и коллектором восьмого транзистора, с базой шестого транзистора и с первым выводом кварцевого резонатора, второй вывод которого подКлючен к второму выводу второго резистора

Э0 и к коллектору пятого транзистора, эмиттеры пятого и седьмого транзисторов подключенй к второй шине питания через второй источник тока, вход управления которого подключен к выходу блока стабилизации ам35

40 плитуды, коллектор седьмого транзистора подключен к первой шине питания, а все транзисторы выполнены с Одинаковым тиПОм проводимости.

Сопоставительный анализ прототипа и заявляемого технического решения позволил выявить следующие новые существенные признаки у последнего: входная цепь активной части генератора образована включенными встрейно-параллельно по переменному току базо-эмиттерн ы ми р-и-переходами четвертого транзистора, включенного по схеме с общей базой, и восьмого транзистора в диодном включе. нии, причем последний совместно с шестым

50 транзистором образует схему токового зеркала управляющего эмиттером третьего транзистора, который, всвою очередь,,вместе с эмиттером четвертого транзистора осуществляет дифференциальное управление базами выходного дифференциального каскада на пятом и седьмом транзисторах, При этом выходные цепи третьего и четвертого транзисторов нагружены на первый резистор, сигнал с которого поступает на вход блока стабилизации амплитуды.

1790799

Наличие данных новых признаков в предложенном генераторе позволяет считать ега соответствующим критерию новизны, Так как указанная совокупность признаков не встречается в аналогах, та заявляемое техническое решение соответствует критерию существенные отличия.

Положительный эффект достигается за счет того, чта при указанном включении транзисторов, через первый резистор протекает продетектираванный ток кварца, а коэффициентусиления активной части генератора определяется только соотношением токов первого и второго источника тока, чем обеспечивается его высокая стабильность.

Вследствие этого, в предлагаемом генераторе нет необходимости включать какие бы та ни было вспомогательные элементы в цепь кварцевого резонатора для измерения тока кварца, что позволяет избежать снижения ега эквивалентной добротности и внесения дополнительных шумов в генератор.

Также не нужны при этом элементы для детектирования сигнала в системе АРА, которая, таким образом, упрощается. Информационный сигнал на входе системы APA в предложенном генераторе. вследствие отсутствия требования малости сопротивления измерительного резистора, может быть увеличен относительно известных способов в 10-100 раз, что, наряду с повышением стабильности коэффициента усиления активной части генератора, позволяет уменьшить усиление в системе АРА до значений близ.ких к единице, обеспечив тем самым резкое снижение уровня шума на ее выходе. В результате достигается повышение стабильности частоты в предлагаемом генераторе.

Встречна-параллельное включение па переменному току р-п-переходов входных транзисторов активной части генератора обеспечивает низкое входное сопротивление активной части при токе кварца существенна превышающем таки смещения данных входных транзисторов, что позволяет уменьшить токи смещения и, соответственна, потребляемую мощность, повысив тем самым коэффициент полезного действия генератора.

На фиг.1 приведена ега электрическая принципиальная схема; на фиг.2 — распределение токов в активной части генератора при ега работе.

Кварцевый генератор содержит первый

1, второй 2, третий ", четвертый 4, пятый 5; шестой 6, седьмой 7 и восьмой 8 транзисторы, первый 9 и второй 10 источники тока, кварцевый резонатор 11; первый 12 и второй 13 резисторы и блок стабилизации амп5

55 литуды 14, подключенные к первой 15 и второй 16 шинам питания и общей шине 17.

Работу предложенного кварцевого генератора рассмотрим при следующих допущениях: все транзисторы идентичны, токи базы транзисторов пренебрежимо малы па сравнению с их токами коллектора, транзисторы работают на частотах, много меньших

f а — граничной частоты коэффициента передачи транзисторов по току в схеме с общей базой а

Первоначально подаются напряжения на шины питания и токи источников тока такой величины, чтобы вывести все транзисторы в активный режим, При этом токи эмиттера транзисторов 1, 2, 3,4, 6 и 8 равны току !а! первого источника тока 9, а эмиттерные токи транзисторов 5 и 7 равны половине тока !о второго источника тока 10.

Ток кварца !кэ, поступающий на вход активной части генератора, представляющей собой усилитель постоянного. тока, нагруженный на резистор l3 и охваченный положительной обратной связью через кварцевый резонатор 11, делится на ток !1, втекающий в эмиттер транзистора 4 и поступающий далее на резистор 12, и ток !2, поступающий на вход токового отражателя на транзисторах 8 и 6, т.е.: ! кв = !! + !2 (1)

Выходной ток токового отражател!! через транзистор 3 та! же поступает на резистор 12. Таким образом, полный ток, протекающий через данный резистор, равен (см. фиг.2):

IR = 2!01- !1+ !2 (2)

Для определения выходного тока активной части генератора !з, протекающего через транзисторы 5 и 7 дифференциального каскада, а также токов l1 и !2, воспольэуемся соотношениями между база-эмиттерными напряжениями транзисторов по замкнутым контурам в соответствии со вторым законом

Кирхгафа: — для замкнутого контура "база" коллектор транзистора 1, база-эмиттер транзистора 2, эмиттер-база транзистора 8, эмиттер-база транзистора 4" можно записать:

Обэ1 Обэ2 = Обэ4 + Обэб (3)

ГдЕ ОЬ1, ОЬг, ОЬ4, Обэз — баэа-ЭМИттЕрНЫЕ напряжения транзисторов 1, 2, 4 и 8; — для контура эмиттер-база транзистора 3, база-эмиттер транзистора 4 база-эмиттер транзистора 7, эмиттер-база транзистора 5" получим

Обэз - Обэ4 = Обэ7 - Обэб, (4)

Гдв Обэп, Обэб„Обэп — баэа-ЭМИттЕрНЫО Напряжения транзисторов 3, 5 и 7.

1790799

2101 (1 — — )(1+ — ).

ii 12

1о1 loi (5) 10 Уравнение (10) показывает, что входное

20

12=10 (— 1+

2 !о1! в = 21oi

2 !о1 с113 " . !02 . " (9) ,„. ТЪ% . .(1+())

Из выражения (9) видно, что коэффициент усиления сигнала в активной части генератора определяется отношением токов источников тока 9 и 10, которое легко сде- 40 лать весьма стабильным, а также зависит от величины тока кварца, который дополнительно стабилизируется системой APA. При этом коэффициент усиления не зависит ни от температуры, ни от каких-либо парамет- 45 ров транзисторов. Высокая стабильность коэффициента усиления сигнала в активной части генератора обусловливает повышенную стабильность эквивалентного отрицательного сопротивления в точках 50 подключения кварцевого резонатора и, соответственно этому повышение стабильности частоты, Входное сопротивление активной части 55 предлагаемого кварцевого генератора равно:

dUex <10бз8 d (l02+l2 )

Евх

d !вх 4 !кв d 1кв 1в

После представления базо-эмиттерных напряжений транзисторов с помощью уравнения.Эберса-Молла с точностью до значения обратного така р-и-перехода Is, уравнение (3) преобразуется к следующему виду:

Уравнение (4) — к следующему:

1+ — 1+2—

lг 1з

02 m (6)

11 lз

1 — — 1 — 2—

101 . Im

Совместное решение уравнений (1) и (5) дает воэможность выразить токи li и 1г через

1кв:

„„(" !кв ), (7)

2 Iо1. Далее, подставив (7) в (6), получим значение выходного тока активной части генератора 1з:

1 102 . 1кв (8)

4 loi отсюда коэффициент усиления активной части генератора равен:

ГдЕ Овх = 08вв — НаПряжЕНИЕ На ВХОДЕ аКтИВной. части генератора;

lex = 1кв ВХОДНОЙ ТОК; ф, — температурный потенциал. сопротивление активной части генератора не превышает половины сопротивления эмиттера транзистора 8 и уменьшается с увеличением тока кварца. Таким образом, целесообразно выбирать такой режим работы предлагаемого генератора, при котором ток кварца был бы существенно больше токов смещения транзисторов 1, 2, 3, 4, 6 и 8, что одновременно обеспечивает снижение потребляемой мощности за счет уменьшения токов смещения перечисленных транзиСТОРОВ.

Подставляя значения токов Ii и 12 в выражение (2), определим величину полного тока !в, протекающего через резистор 12: который в случае (" ) > 1 приближенно

21о1 равен

Ь= llxal (12)

Т.е. на резисторе 12 выделяется сигнал пропорциональный прошедшему двухполупериодное выпрямление току кварца, Это позволяет избежать включения в чувствительную цепь кварца измерительных элементов системы АРА, а также упростить саму эту систему, исключив из ее состава детектор. По сравнению с включением измерительного резистора в цепь кварца, в предложенном генераторе сопротивление резистора 12 не ограничено и может быть увеличено в 10-100 раз, Во столько же раз увеличивается сигнал на входе блока стабилизации амплитуды, что в совокупности с

его упрощением, резко уменьшает уровень шумовой составляющей на его выходе, обеспечивая тем самым повышение стабильности частоты предлагаемого генератора.

Таким образом, предлагаемый кварцевый генератор выгодно Отличается от прото. типа тем, что, при прочих равных условиях (элементная база, используемый тип кварцевого резонатора, диапазон рабочих температур), имеет повышенные стабильность частоты и коэффициент полезного действия, что достигается путем стабилизации коэф10

179079Q фициента усиления активной части генератора, исключения из цепи кварцевого резонатора элементов системы АРА, обеспечения возможности упрощения саФормула изобретения

Кварцевый генератор, содержащий первый транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором второго транзистора, третий транзистор, первый и второй резисторы, первые выводы которых подключены к первой шине питания, кварцевый резонатор и блок стабилизации амплитуды, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения стабильности частоты при повышении КПД, введены четвертый — восьмой транзисторы, первый и второй источники тока, при этом база второго транзистора соединена с эмиттером первого транзистора, база и коллектор которого через первый источник тока подключены к первой шине питания, и непосредственно — с базами третьего и четвертого транзисторов, второй вывод первого резистора соединен с коллекторами третьего и четвертого транзисторов и с входом мой системы APA и увеличения сигнала на ее входе, а также путем уменьшения токов смещения транзисторов. блока стабилизации амплитуды, эмиттер

10 третьего транзистора соединен с базой пятого транзистора и с коллектором шестого транзистора, эмиттер которого соединен с эмиттерами второго и восьмого транзисторов и подключен к общей шине, эмиттер

15 четвертого транзистора соединен с базой седьмого транзистора, с базой и коллектором.восьмого транзистора, с базой шестого транзистора и с первым выводом кварцевого резонатора, второй вывод которого под20 ключен к второму выводу второго резистора и к коллектору пятого транзистора, эмиттеры пятого и седьмого транзисторов подключены к второй шине питания через второй источник тока, вход управления которого

25 подключен к выходу блока стабилизвции амплитуды, коллектор седьмого транзистора подключен к первой шине питания, а все транзисторы выполнены с одинаковым типом проводимости.

1790799 кв

Составитель В.Прокопенко

Техред M,Moðãåíòàë Корректор M.TKà÷

Р едактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 376 Тираж .Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5