Основы радиоэлектроники и связи

10. Автогенераторы гармонических колебаний : 10.1. Автогенераторы с внешней обратной связью

10.1.7 Кварцевые автогенераторы

Для повышения стабильности частоты генерируемых колебаний частотозадающий контур автогенератора должен иметь высокую добротность. Это требование легко удовлетворяется при использовании в качества такого контура так называемого кварцевого резонатора, основой которого является кварцевая пластина.

Кристаллический кварц это твердый минерал (рис.28). Продольная ось кристалла О’О является оптической осью кристалла.

е - электрические оси m - механические оси

поперечные оси

Рис.28.

В кварцах сильно выражен пьезоэлектрический эффект.

Пусть вырезана пластина перпендикулярно электрической оси (см. рис. 29). Под действием сжимающей силы, параллельной электрической оси, на гранях, перпендикулярных к ней, появляются заряды. Под действием растягивающей силы знаки зарядов меняются.

Рис.29.

При действии силы вдоль механической оси на тех же гранях также появляются заряды. Это явление прямого пьезоэлектрического эффекта. Обратный пьезоэффект состоит в том, что при помещении пластин в электрическое поле, направленное вдоль электрической оси, пластина сжимается или растягивается вдоль этой и механической осей.

Поместим кварцевую пластину между двумя проводящими пластинами (рис.30).

Рис.30.

Если U - переменное, то в пластине возникнут механические колебания (обратный пьезоэффект). При этом в такт с механическими колебаниями на гранях пластин и на обкладках конденсатора возникают заряды. По отношению к внешней цепи этот эффект проявляется как некоторая проводимость, которая называется пьезоэлектрической. Кроме нее здесь будет и обычная диэлектрическая проводимость, определяемая емкостью конденсатора.

Пластина кварца, как всякое упругое тело, обладает по отношению к механическим колебаниям определенными резонансными собственными частотами. Поэтому, при приближении частоты внешнего переменного напряжения, подаваемого на обкладки конденсатора, к одной из собственных частот пластины, возникают резонансные явления: при постоянной амплитуде напряжения амплитуда механических колебаний около резонанса увеличивается во много раз. Соответственно возрастают пьезоэлектрическая проводимость и пьезоэлектрический ток, т.е. по отношению к внешнему электрическому воздействию механический резонанс пластинки проявляется как последовательный электрический резонанс (увеличение тока при резонансе), что позволяет при расчетах заменять пластинку кварца вблизи ее резонансной частоты эквивалентным последовательным контуром (рис.31).

Полная эквивалентная схема (рис.32) кварца включает в себя еще диэлектрическую емкость или емкость кварцедержателя. Если грани неплотно прилегают к кварцедержателям, то в модель добавляют еще емкость .

Наиболее легко возбуждаются основные резонансные частоты.

Для наиболее употребляемых размеров кварцевых пластин (при толщине от нескольких десятков мм до 4-5 мм) основные колебания по толщине отвечают волнам от 40 до 600 м (0,5 МГц 10 МГц).

Кварцевые пластины в качестве колебательных систем обладают свойствами, благоприятными для получения высокой стабильности частоты АГ, а именно:

а) эталонностью, т.е. постоянством во времени резонансных частот кварца;

б) высокой (до десятков тысяч) добротностью;

в) высоким волновым сопротивлением из-за черезвычайно малой , в связи с чем параллельные кварцу емкости транзистора или лампы оказывают малое дестабилизирующее действие.

Автогенераторы, в которых частота определяется частотой кварцевой пластинки, называются кварцевыми.

Рис.33.

На рис.33 показана наиболее простая и наиболее употребляемая схема - когда кварц находится в цепи базы. Эквивалентная схема изображена на рис.34.

По переменному току параллельно кварцу включается , которое одновременно выполняет роль автосмещения. Обратная связь здесь осуществляется через емкость коллектор-база. При необходимости добавляется внешний конденсатор.

Рис.34.

В результате получается двухконтурная схема с общим эмитером. Частота здесь определяется более низкочастотным контуром. Поэтому, чтобы частота задавалась эталонным контуром (кварцем), коллекторный контур должен быть отстроен в сторону более высоких частот. Чем выше , тем меньше он влияет на , тем выше стабильность частоты.

К недостатку данной схемы можно отнести относительно невысокую амплитуду выходных колебаний.

Иногда кварц включают между коллектором и базой. При этом получается двухконтурная схема с общим коллектором. В этом случае имеет место меньшее влияние базового тока на генерируемую частоту.

© Андреевская Т.М., РЭ, МГИЭМ, 2004