Кварцевый генератор

Кварцевый генератор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для генерации электрических сигналов, стабилизированных электромеханическими резонаторами, в частности в пьезорезонансных датчиках с рабочим диапазоном частот от 10 кГц до 200 кГц.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является кварцевый генератор (см. патент РФ №2301491 от 30.11.2005, опубликован 20.06.2007 Б.И. №17), содержащий кварцевый резонатор, первый инвертирующий усилитель, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор, второй инвертирующий усилитель, вход которого соединен с первым выводом конденсатора.

Указанное выше устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является сложность настройки для достижения точной компенсации тока статической емкости кварцевого резонатора, приводящей к увеличению времени переходного процесса установления стабильного режима генерации, что в некоторых случаях недопустимо.

Решаемой задачей является создание кварцевого генератора с малым временем готовности для выхода на стабильный режим работы.

Достигаемым техническим результатом является повышение точности компенсации тока статической емкости кварцевого резонатора и уменьшение передаваемого сигнала через кварцевый резонатор в широкой полосе частот.

Для достижения технического результата в кварцевом генераторе, содержащем кварцевый резонатор, первый инвертирующий усилитель, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор, второй инвертирующий усилитель, вход которого соединен с первым выводом конденсатора, новым является то, что дополнительно введен резистивный делитель и второй резистор, первый вывод которого соединен со входом первого инвертирующего усилителя, а второй вывод соединен с первым выводом (входом) резистивного делителя и выходом второго инвертирующего усилителя, вход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора, второй вывод которого соединен с выходом первого инвертирующего усилителя, второй вывод конденсатора соединен со вторым выводом (выходом) резистивного делителя, третий вывод которого соединен с общей точкой, при этом выход второго инвертирующего усилителя является выходом устройства.

На фигуре 1 изображена функциональная схема кварцевого генератора. На фигуре 2 представлена эквивалентная схема кварцевого резонатора.

Устройство содержит кварцевый резонатор 1, первый инвертирующий усилитель 2, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор 3, второй инвертирующий усилитель 4, вход которого соединен с первым выводом конденсатора 5, резистивный делитель 6 и второй резистор 7, первый вывод которого соединен со входом первого инвертирующего усилителя 2, а второй вывод соединен с первым выводом (входом) резистивного делителя 6 и выходом второго инвертирующего усилителя 6, вход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора 1, второй вывод которого соединен с выходом первого инвертирующего усилителя 2, второй вывод конденсатора 5 соединен со вторым выводом (выходом) резистивного делителя 6, третий вывод которого соединен с общей точкой, при этом выход второго инвертирующего усилителя 4 является выходом устройства.

Повышение точности компенсации тока статической емкости кварцевого резонатора 1 осуществляется за счет применения резистивного делителя 6. Более точная компенсация достигается выбором коэффициента передачи резистивного делителя 6 и емкости конденсатора 5.

Устройство работает следующим образом. Участок схемы "А-Г", состоящей из резистивного делителя 6, конденсатора 5, используется для нейтрализации статической емкости С₀ резонатора 1.

Напряжение на выходе первого инвертирующего усилителя 1, обусловленное протеканием тока через второй резистор 7 (R₂), равно произведению значения сопротивления первого резистора 3 (R₁) обратной связи на значение входного тока, равного U_A/R₂ (свойство инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления К>>1 с отрицательной обратной связью):

где R₁ - значение сопротивления первого резистора 3;

R₂ - значение сопротивления второго резистора 7;

U_A - переменное напряжение (точка схемы А).

В случае, когда импеданс кварцевого резонатора 1 Z_Q и компенсирующего конденсатора 5, равного много больше входного сопротивления второго инвертирующего усилителя 4 (Z_Q>>Z_вx2; Z_C1>>Z_вx2), ток, протекающий через кварцевый резонатор 1 I_K, определяется суммой двух составляющих

где Z_вx - значение входного импеданса второго инвертирующего усилителя 4;

U_Б - переменное напряжение, приложенное к кварцевому резонатору 1 (точка схемы Б);

Z_K - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 1;

R_K, L_K, C_K - эквивалентные параметры кварцевого резонатора 1 (см. фиг.2).

Составляющая тока кварцевого резонатора 1, обусловленная его статической емкостью С₀, уменьшает реальную добротность и крутизну фазочастотной характеристики резонатора и, соответственно, ухудшает стабильность частоты генератора. Наиболее сильное негативное влияние емкостного тока кварцевого резонатора 1 на стабильность частоты генератора проявляется в случаях, когда составляющие емкостного тока ωС₀U_Б и резонансного тока имеют соизмеримые значения.

Ток, протекающий через конденсатор 5, определяется выражением

где С₁ - значение емкости конденсатора 5 (см. фиг.1);

К_дел - коэффициент передачи участка схемы "А-В" (коэффициент передачи резистивного делителя 6);

U_B - переменное напряжение на выходе резистивного делителя 6 (точка схемы В);

U_A - переменное входное напряжение (точка схемы А).

Коэффициент передачи резистивного делителя 6 определяется выбором значений сопротивлений, входящих в его состав.

Условие компенсации шунтирующего влияния статической емкости можно определить из суммы токов, протекающих через статическую емкость С₀ резонатора и конденсатор 4:

Из уравнения (6) следует , отсюда

или

На резонансной частоте резонатора 1 при условии (5), (6), (7) емкостной ток через емкость С₀ резонатора нейтрализуется противофазным током (4) через конденсатор 5 C₁ и напряжение на входе второго инвертирующего усилителя 4 определяется выражением

где Z_K - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 1;

Z_вx2 - входной импеданс второго инвертирующего усилителя 4.

При активном характере входного импеданса Z_вx=R_вx напряжение на выходе второго инвертирующего усилителя 4 определяется выражением

где К_{у_инв2} - коэффициент усиления второго инвертирующего усилителя 4.

Коэффициент передачи участка "А - выход второго инвертирующего усилителя 4" определяется из выражения (9):

Коэффициент передачи К_n будет иметь максимальное и действительное значение на частоте, равной резонансной частоте кварцевого резонатора 1, для которой Z_K=R_K.

Для обеспечения устойчивой работы генератора необходимо выполнение двух условий:

- условие баланса амплитуд, при котором коэффициент передачи неискаженного сигнала в контуре положительной обратной связи К_n генератора должен быть больше 1;

- условие баланса фаз, при котором

где К_n - суммарный коэффициент передачи на частоте генерации;

φ_n - фазовый сдвиг на участке "А - выход второго инвертирующего усилителя 4" на частоте генерации.

Согласно предлагаемому изобретению изготовлены макетные образцы генераторов, испытания которых подтвердили их работоспособность и эффективность. При этом первый инвертирующий усилитель 2 и второй инвертирующий усилитель 4 выполнены на комплементарных парах КМОП-транзисторов. Второй инвертирующий усилитель 4 может содержать схему амплитудного диодного ограничителя или схему автоматической регулировки усиления (АРУ), которая применяется для ограничения амплитуды переменного напряжения, подаваемого на кварцевый резонатор 1.

Кварцевый генератор, содержащий кварцевый резонатор, первый инвертирующий усилитель, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор, второй инвертирующий усилитель, вход которого соединен с первым выводом конденсатора, отличающийся тем, что дополнительно введен резистивный делитель и второй резистор, первый вывод которого соединен со входом первого инвертирующего усилителя, а второй вывод соединен с первым выводом (входом) резистивного делителя и выходом второго инвертирующего усилителя, вход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора, второй вывод которого соединен с выходом первого инвертирующего усилителя, второй вывод конденсатора соединен со вторым выводом (выходом) резистивного делителя, третий вывод которого соединен с общей точкой, при этом выход второго инвертирующего усилителя является выходом устройства.