Кварцевый генератор

(51) ТЕН еньшены стабильности частоты.токи смещения транзимэя мощность. 2 ил. иэт 6 ров и потребля ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(56) Авторское свидетельство СССРИ 1573526, кл. Н 03 В 5/36, 05,04,88,(57) Изобретение относится к радиотехникеи может использоваться в качестве высокостабильного источника опорной частоты.Целью изобретения является повышениестабильности частоты при повышении коэффициента полезного действия. Кварцевыйгенератор содержит первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4, пятый 5, шестой 6, седьмой 7 и восьмой 8 транзисторы, первый 9 ивторой 10 источники тока, кварцевый резонатор (КР) 11, первый 12 и второй 13 резиПредполагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве высокостабильногоисточника опорной частоты.Известен кварцевый генератор, содержащий резонансный усилитель и эмитгерныйповторитель, охваченные положительной обратной связи через кварцевый резонатор,причем в цепь кварцевого резонатора включены входные элементы системы автоматической регулировки амплитуды (АРА), котораяуправляет крутизной активного элемента резонансного усилителя,Недостаток данного кварцевого генератора - наличие в цепи кварца дополнительных элементов, необходимых для снятиясигнала, подаваемого на вход системы АРА.Вносимое ими сопротивление в цепь кварцауменьшает эквивалентную добротностьквзрцевого резонзторэ. з Гзкже является.Б 2 1790799 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, э также зависит от величины тока через КР 11,который ста. билизируется блоком 14. При этом коэффи-циент 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 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, преш шзюГдие амплитудутока кварца по крайней мере в 1,5-2 раза, во избежание значительного увеличения входного и выходного гопронвлений35 40 активной части генератора в точках подключения генератора, и снижения за счет этогоэквивалентной добротности последнего. Врезультате данный кварцевый генераторимеет повышенное потребление мощности,чта понижает его экономичность.Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является кварцевый генератор,"содержащий первыйтранзистЬр, эмиттер которого соединен сколлектором второго транзистора, третийтранзистор, 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 элементь 1системы АРА включены непосредственно вцепь кварцевого резонатора, коэффициентусиления сигнала в активной части генератора имеет низкую стабильность, что уменьшает. стабильность частбты генерируемыхколебаний. Кроме этого; генератор имеет повышенное потребление мощности, что снижает его коэффициент полезного действия.С одной стороны; включенные в цепькварцевого резонатора входные элементысистемы АРА; в том числе измерительныйрезистор, соедийеннйе последовательно скварцем, является источником дополнительных шумов в наиболее чувствительнойцепи генератора, а также уменьшают эквивалентную добротность кварцевого резонатора, что обусловливает увеличение каккратковременной, так и долговременной нестабильностии частоты кварцевого генератора, С другой стороны, при уменьшениивеличины сопрбтивления измерительногорезистира ухудшается .отношение сигнал/шум на входе системы АРА, что приводит к росту относительного уровня шумовойсоставляющей сигнала на ее выходе и, таким образом, также приводит к увеличениюнестабильности частоты. При этом, вследствие нестабильности коэффициента усиления сигнала в активной части генератора,требуется высокое усиление в системе АРА,что подчеркивает недостатки, связанные свключением"ее входных элементов в цепькварцевого резонатора.Кроме этого, так как токи смещениятранзисторов в данйом кварцевом генераторе должны превышать по величине амплитуду тока кварца, генератор имеет низкийкоэффициент полезного действия,Цель изобретения - повышение стабильности частоты при повышении коэффициента полезного действия,Поставленная цель достигается тем, чтов 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 второ го транзистора соединена с эмиттерам 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 третьео и четвертого транзисторов и с входом блока стабилизации амплитуды, эмиттер третьего транзистора соединен с базой пятого тран 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 2 О седьмого транзистора, с базой и коллектором восьмого транзистора, с базой шестага транзистора и с первым выводом кварцевого резонатора, второй вывод которого подключен к второму выводу второго резистора Э 0 и к коллектору пятого транзистора, эмиттеры пятого и седьмого транзисторов подключены к второй шине питания через второй источник тока, вход управления которого подключен к выходу блока стабилизации амплитуды, 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 база-эмиттерн ы ми р-и-переходами четвертого транзистора, вклокоченного па схеме с общей базой, и восьмого транзистора в диоднам включе. нии, причем последний совместно с шестым 50 транзистором образует схему токового зеркала управляющего эмиттером третьего транзистора, который, в свою очередь, вместе с эмиттером четвертого транзистора осуществляет дифференциальное управле ние базами вь 1 хаднага дифференциальногокаскада 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, 17907995 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 На фиг.1 приведена его электрическая принципиальная схема; нэ фиг.2 - распределение токов в активной части генератора при его работе.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 11; первый 12 и второй 13 резисторы и блок стабилизации эмпНаличие данных новых признаков в предложенном генераторе позволяет считать его соответствующим критерию новизны, Так кэк указанная совокупность признаков не встречается в аналогах, то заявляемое техническое решение соответствует критерию существенные отличия.Положительный эффект достигается за счет того, что при указанном включении транзисторов, через первый резистор протекает продетектированный 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 быта ни было вспомогательные элементы в цепь кварцевого резонатора для измерения тока кварца, что позволяет избежать снижения его 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 АРА 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.ВСтречно-параллельное включение по переменному току р-п-переходов входных транзисторов активной части генератора обеспечивает низкое входное сопротивление активной чэсти при токе кварца существенно превышающем таки смещения данных входных транзисторов, что позволяет уменьшить токи смещения и, соответственно, потребляемую мощность, повысив тем самым коэффициент полезного действия генератора. 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 таками коллектора, транзисторы работаот на частотах, много меньших 1 а - граничной частоты коэффициента передачи транзисторов по току в схеме с общей базой аПервоначально подаются напряжения на шины питания и токи источников тока такой величины, чтобы вывести все транзистары в активный режим, При этом токи эмиттера транзисторов 1, 2, 3,4, 6 и 8 равны току lо 1 первого источника тока 9, а эмиттерные токи транзисторов 5 и 7 равны половине тока 1 о 2 второго источника тока 10.Ток кварца 1 кв, поступающий на вход активной части генератора, представляющей собой усилитель постоянного тока, нагруженный на резистор 13 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 12, паступающий на вход токового отражателя на транзисторах 8 и 6, т.е,:кв = 11 + 2 М Выходной ток токового отражател 0 через транзистор 3 также поступает на резистор 12. Таким образом, полный ток, протекающий через данный резистор, равен (см. фиг.2):1 я = 21 а 1-11+ 12 (г) Для определения выходного тока активной части генератора з, протекающего через транзисторы 5 и 7 дифференциального каскада, а также токов 1 и 2, воспольэуемся соотношениями между база-эмиттерными напряжениями транзисторов по замкнутым контурам в соответствии со вторым законом Кирхгофа:- для зэмкнутого контура "база" коллектор транзистора 1, база-эмиттер транзистора 2, эмиттер-база транзистора 8, эмиттер-бэза транзистора 4" можно записать:Обэ 1 - Обэ 2 = Обэ 4 + Обэб (3) ГдЕ Обэ 1, Обэ 2, Обэ 4, Обэз - баэа-ЭМИттЕрНЫЕ напряжения транзисторов 1, 2, 4 и 8;- для контура эмиттер-база транзистора 3, бэза-эмиттер транзистора 4 бэза-эмиттер транзистора 7, эмиттер-базатранзистора 5" получимОбэз - Обэ 4 = Обэ 7 - Обэб, (4) где Обэа, ОбэбОбэ 7 - база-эмиттерныо напряжениятранзисторов 3, 5 и 7.(8) 0 отсюда коэ сти генера с 11 з К= - = С 1 кв( +(Из выражения (9) видно, что коэффициент усиления сигнала в активной части гене- ратора определяется отношением токов источников тока 9 и 10, которое легко сде лать весьма стабильным; а также зависит от величины тока кварца, который дополнительно стабилизируется системой АРА. При этом коэффициент усиления не зависит ни от температуры, ни от каких-либо парамет ров транзисторов. Высокая стабильность коэффициента усиления сигнала в активной части генератора обусловливает повышенную стабильность эквивалентного отрицательного сопротивления в тачках 5 подключения кварцевого резонатора и, соответственно этому повышение стабильности частоты,ие активной части 55о генератора рав 02+32 ) 1 в После представления база-эмиттерных напряжений транзисторов с помощью уравнения.Эберса-Молла с точностью до значения обратного тока р-и-перехода з, уравнение (3) преобразуется к.следующему виду: Уравнение (4) - к следующему: 1 + - 1+2 - 1 г 1 з 02 02(6) 11 з 1 -- 1 - 2 -101, 102Совместное решение уравнений (1) и (5) дает воэможность выразить токи 1 и 12 через 1 кв;() , (7)2 1 о 1. Далее, подставив (7) в (6), получим значение выходного тока активной части генератора 1 з: 1 102 1 кв 4 101 Входное сопротивлепредлагаемого кварцевоно:б Овх с Обзз дЕвхд вх 4 1 кв.кв где Овх = Обвв - напряжение на входе активной. части генератора;1 вх = 1 кв ВХОДНОЙ ТОК;р, - 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 рабаты 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 транзи- СТОРОВ.Подставляя значения токов 1 и 12 в выражение (2), определим величину полного тока в, протекающего через резистор 12: который вслучае ( кв ) 1 приближенно21 о 1равен1 в= 11 кв (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 генератара.Таким образом, предлагаемый кварцевый генератор выгодно Отличается от прототипа 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 каэф10 1790799 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 ющ и й с я 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 АРА и увеличения сигнала наее входе, а также путем уменьшения токовсмещения транзисторов. блока стабилизации амплитуды, эмиттер10 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 базойседьмого транзистора, с базой и коллектором.восьмого транзистора, с базой шестого транзистора и с первым выводом кварцевого резонатора, второй вывод которогО под ключен к второму выводу второго резистораи 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.1 Х1790799 к г. Составитель В.Прокопен ехред М,Моргентал Редактор орректор М.Ткач Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарин аз 376 Тираж .ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 45ч