цифровых КМОП и ТТЛ микросхемах. Осцилляторные схемы генераторов
стабильной частоты, онлайн калькулятор расчёта элементов.
Параметр стабильности LC-генератора при условии качественного исполнения данного узла, наличия высокодобротных катушек и конденсаторов с подобранными ТКЕ может достигать достаточно высоких значений. Это даёт возможность радиолюбителю, не направляя свой взгляд в сторону цифровых аксессуаров, вести комфортный приём/передачу однополосных сигналов в частотном диапазоне работы ГПД до 10-15Мгц.
Можно, конечно, попытаться залезть и повыше, но ненамного – начинают возникать нюансы. С одной стороны, чем дальше влез, тем больше интерес, с другой – становится всё труднее удержать частоту генератора в сфере своего влияния. А при частотах колебаний свыше 30МГц, долговременная относительная нестабильность генератора становится таковой, что «голос любителя, радостно вещающего однополосным SSB сигналом о преимуществах "Яги" перед "Двойным квадратом", начинает плавно глиссандировать от убедительного баритона Левитана до легкомысленного тенора оперной дивы».
И вот тут уже – жить без кварцевого резонатора становится сложновато. Причём окварцованный генератор может использоваться как готовый гетеродин на фиксированную частоту, так и в качестве опорника для цифрового синтезатора частоты.
Кварцевый резонатор (кварц) – радиоэлемент, в котором явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы.
Добротность кварцевых резонаторов во много раз превышает добротность резонаторов на LC-контурах и составляет 10 4 . 10 6 . Долговременная относительная нестабильность частоты – не хуже чем 10 -6 . 10 -8
Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора в схемах генераторов, надо рассмотреть его эквивалентную схему:
 Рис.1 |
Общепринятая эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена на Рис.1. Динамическая индуктивность Lk, динамическая ёмкость Ck и динамическое сопротивление Rk определяются частотой механического резонанса кварцевой пластины и величиной потерь, имеющих место в резонаторе.
Параллельная ёмкость Сo обусловлена межэлектродной ёмкостью пьезоэлектрика, ёмкостью корпуса и монтажа.
Соответственно и ведёт себя кварц и как параллельный, и как последовательный резонансный элемент одновременно.
Частота последовательного резонанса выражается формулой: 
,
а частота параллельного: 
.
Произведя несложные математические манипуляции, получаем:
Поскольку на практике Сo≫Ck, то расхождение между частотами параллельного и последовательного резонансов невелико – максимальная разность близка к 0,4% от паспортной частоты кварца. Также не составит особого труда заметить, что Fпар всегда > Fпосл.
Для интересующихся приведу некоторые типичные значения параметров эквивалентной схемы кварцевых резонаторов.
| F (Мгц) | Lk (мГн) | Ck (пФ) | Rk (Ом) | Cо (пФ) |
| 1 | 1910 | 13,3×10 -3 | 200 | 5 |
| 10 | 28,6 | 8,86×10 -3 | 12 | 4 |
| 12 | 24 | 7,368×10 -3 | 12 | 4 |
| 20 | 11,94 | 5,3×10 -3 | 10 | 3,5 |
Переходим к некоторым расхожим схемам генераторов с кварцевой стабилизацией частоты.
 Рис.2  Рис.3 |
В ёмкостной трехточке по схеме Пирса (Рис.2) биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером.
Резисторы R1 и R2 задают режим работы транзистора T1 по постоянному току, и выбираются исходя из тока покоя транзистора 1-5мА в зависимости от частоты генерируемого сигнала.
Очевидно, что для возбуждения любого усилителя необходима положительная обратная связь, которая поворачивала бы фазу на 180˚.
Один только кварцевый резонатор не сможет обеспечить такой поворот фазы. Поэтому в схему дополнительно вводятся конденсаторы C1 и C2.
При возбуждении кварцевого резонатора на нечётных механических гармониках кварца, вместо резистора R3 включают катушку индуктивности L1 (Рис.3).
Параметры контура следует выбирать так, чтобы его собственная частота составляла 0,7. 0,8 от частоты генерации. В результате контур имеет ёмкостную проводимость на частоте необходимой гармоники, что исключает возможность генерации на низших гармониках и основной частоте.
Значительно большим фазовым запасом для возникновения условий генерации обладают схемы ёмкостных трёхточек Пирса, выполненные на полевых транзисторах, либо КМОП микросхемах, в том числе и цифровых. Объясняется это высоким входным сопротивлением подобных устройств, что, в свою очередь, создаёт более правильные условия для работы цепей фазовращателя.
 Рис.4 Рис.5 Рис.6 |
Схемы, выполненные на полевых транзисторах (Рис.4,5), аналогичны схемам свох биполярных аналогов.
Резистор R3 определяет режим работы Т1 по постоянному току, и выбирается исходя из необходимого тока покоя транзистора (1-5мА).
На Рис.6 приведена схема генератора Пирса,
построенная на высокочастотном ОУ, либо инверторе КМОП-логики, использующимся в качестве инвертирующего усилителя.
По сравнению со схемами на биполярных транзисторах, приведённые осцилляторы не так критичны в точности выбора номиналов фазосдвигающих конденсаторов С1 и С2. При применении цифровых КМОП инверторов, даже при выборе типичных значении ёмкостей C1 = C2 = 15 пФ, сохраняются условия для устойчивой генерации в достаточно широком диапазоне частот.
Генераторы Пирса вполне заслуженно считаются генераторами с наилучшей кратковременной стабильностью частоты, однако обладают определённым набором недостатков – как то: относительная сложность, необходимость качественной стабилизации базового тока транзистора, а также то, что ни один из выводов кварцевого резонатора не подключён к шине корпуса.
Отчасти указанных недостатков лишён генератор Колпитца – схемотехническое решение ещё одного трехточечного кварцевого генератора, в котором транзистор активного элемента по переменному току включён по схеме с общим коллектором. При этом кварцевый резонатор, имеющий индуктивный характер реактивного сопротивления, входит в состав параллельного резонансного контура, один из выводов которого может быть подключён к земляной шине.
 Рис.7 Рис.8 |
На Рис.7 приведена базовая схема кварцевого генератора Колпитца при условии возбуждения резонатора на основной частоте.
Замена постоянного конденсатора С3 на подстроечный (Рис.8), даёт возможность регулировки рабочей частоты кварцевого генератора в некоторых незначительных преде- лах.
 Рис.9 Рис.10 |
Схема для возбуждения кварцевого генератора на 3-5 механической гармонике кварца (Рис.9) была замечена в datasheet-е на буржуйскую микросхему SA612A.
Последовательный резонанс- ный контур, образованный цепочкой L1, С3, шунтирует нагрузочный резистор R4 на основной частоте работы резонатора и создаёт, тем самым, условия возникновения
колебаний именно на той частоте гармоникового кварца, который указан на его корпусе.
Ровно та же самая история, но с полевым транзистором вместо биполярного приведена на Рис.10.
На высоких частотах, вплоть до 300МГц, целесообразно применять однокаскадные схемы генераторов с общей базой (Рис.11).
Рис.11Рис.12 Рис.13 Рис.14
Схемы, приведённые на Рис.11 и Рис.12 функционально абсолютно идентичны, хотя первая из них представляет индуктивную трёхточку с кварцевым резонатором, выполненную по схеме Хартли, а вторая ёмкостную – по схеме Колпитца.
Для возникновения колебаний необходимо, чтобы колебательный контур был настроен на частоту кварцевого резонатора, либо на частоту, равную кратной основной частоте гармоники.
Дальнейшего улучшения условия самовозбуждения этих автогенераторов на высоких частотах можно добиться, включив параллельно кварцу дополнительную катушку индуктивности L2 (Рис.13 и Рис.14). Контур, образованный параллельной ёмкостью кварца Со и катушкой L2, настраивают на частоту используемой гармоники.
Точно также как и в предыдущих случаях, биполярный транзистор лёгким движением руки может быть заменён на полевой с соответствующими цепями смещения.
ВАЖНО!
1. К источнику питания любые ВЧ генераторы, в том числе и окварцованные, следует подключать через интегрирующую RC цепочку, представляющую из себя резистор номиналом несколько сотен Ом (в зависимости от рабочего тока транзистора) и конденсатор, идущий одним выводом на землю, ёмкостью 0,1МкФ.
2. Каскады, подключаемые к выходу генератора, должны иметь достаточно высокое входное сопротивление. Идеально – если это будут цепи, реализованные на полевых транзисторах.
3. Разделительные конденсаторы, нарисованные на схемах последовательно с кварцевыми резонаторами, призваны отсечь от кварца постоянное напряжение. Кто-то их ставит, кто-то нет – по-любому, внятных теоретических обоснований по поводу вреда здоровью резонаторов от постоянки я не встречал. Так, что считайте присутствие этих элементов факультативным, хуже точно не будет, лучше – вполне вероятно.
4. Базовая схема кварцевого генератора на цифровой микросхеме (Рис.6) отлично работает в широком диапазоне частот и не требует никаких модификаций. Многочисленные 2-3 вентильные вариации на заданную тему большого смысла не имеют, так как обладают худшими частотными свойствами. Разве, что можно обратить внимание на схему, приведённую на Рис.15, которая за счёт более высокого общего коэффициента усиления создаёт дополнительные условия для устойчивой генерации и меньшей зависимости от номиналов ёмкостей.
Рис.15
Ну и по традиции – калькулятор в студию!
ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Приведённый калькулятор не претендует на 100% достоверность, так не в состоянии учитывать реальные характеристики применяемых резонаторов, однако, в большинстве случаев поможет радиолюбителю не допустить явных ошибок и запустить устройство без шаманства и танцев с бубнами.
А на следующей странице рассмотрим схемы кварцевых генераторов, обладающих способностью плавной перестройки в некотором не очень широком диапазоне частот.
Принцип работы и свойства кварцевого резонатора
В современной электронике, особенно в цифровой сложно не найти электронный компонент под названием кварцевый резонатор. По своей сути, кварцевый резонатор является аналогом колебательного контура на основе ёмкости и индуктивности. Правда, кварцевый резонатор превосходит LC-контур по очень важным параметрам.
Как известно, колебательный контур характеризуется добротностью . Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой добротностью, которая недостижима при использовании обычного колебательного LC-контура. Если добротность обычных контуров лежит в пределах 100 – 300, то для кварцевых резонаторов величина добротности достигает 10 5 – 10 7 .
Ёмкость конденсатора довольно сильно зависит от температуры окружающей среды. У конденсаторов даже есть параметр, который называется ТКЕ (температурный коэффициент ёмкости). Он показывает насколько измениться ёмкость конденсатора при изменении температуры.
Естественно, при применении конденсатора в составе LC-контура, частота его колебаний будет очень сильно зависеть от внешней температуры среды. То же касается и индуктивности, у которой также есть своя температурная характеристика – ТКИ.
Понятно, что для использования в цифровой технике (в том числе и в технике связи) требуется более стабильный и надёжный источник гармонических колебаний.
Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой температурной стабильностью . Именно благодаря высокой добротности и температурной стабильности кварцевые резонаторы применяются в радиотехнике очень активно.
Любой процессор или микроконтроллер работает на определённой тактовой частоте. Понятно, что для задания тактовой частоты необходим генератор. Такой генератор в качестве источника высокоточных гармонических колебаний, как правило, использует кварцевый резонатор. В тех схемах, где высокая добротность не требуется, могут применяться резонаторы на основе керамики – керамические резонаторы. Добротность резонаторов на основе пьезокерамики составляет не более 10 3 . Их можно встретить в пультах дистанционного управления, электронных игрушках, бытовых радиоприёмниках.
Принцип работы кварцевого резонатора.
Принцип работы кварцевого резонатора целиком и полностью опирается на пьезоэлектрический эффект . Основой любого кварцевого резонатора является пластинка из кварца. Кварц – это одна из разновидностей кремнезема SiO2 . Для изготовления резонаторов пригоден только лишь низкотемпературный кварц, который обладает пьезоэлектрическими свойствами. В природе такой кварц встречается в виде кристаллов и бесформенной гальки.
Кристалл кварца
Химически кварц очень устойчив и не растворяется ни в одной из кислот, за исключением плавиковой. Также кварц очень твёрдый. На шкале твёрдости он занимает седьмое место из десяти.
Чтобы изготовить кварцевую пластинку берётся кристалл кварца и из него под определённым углом вырезается пластинка. От угла, под которым происходит срез, зависят электромеханические свойства кварцевой пластины. Тип среза существенно влияет на температурную стабильность, количество паразитных резонансов, резонансную частоту.
Далее на две стороны кварцевой пластины наносят металлизированный слой (из серебра, никеля, золота или платины) и посредством жёстких проволочных контактов закрепляют в кварцедержателе. Всю эту конструкцию помещают в герметичный корпус.
Кварцевый резонатор является электромеханической колебательной системой. Как известно, любая колебательная система обладает своей резонансной частотой . У кварцевого резонатора также есть своя номинальная резонансная частота . Если приложить к кварцевой пластине переменное напряжение, которое совпадает с резонансной частотой самой кварцевой пластины, то происходит резонанс частот и амплитуда колебаний резко возрастает.
При резонансе электрическое сопротивление резонатора уменьшается. В результате получается эквивалент последовательной колебательной системы. Поскольку потери энергии в кварцевом резонаторе очень малы, то он фактически представляет собой электрический колебательный контур с очень большой добротностью .
Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора изображена на рисунке.
Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора
Здесь С – это постоянная (статическая) ёмкость образующаяся за счёт металлических пластин-электродов и держателя. Последовательно соединённые индуктивность L1,конденсатор С1 и активное сопротивление Rакт. отражают электромеханические свойства кварцевой пластинки. Как видим, если отбросить ёмкость монтажа и кварцедержателя С, то получиться последовательный колебательный контур.
При монтаже кварцевого резонатора на печатную плату стоит позаботиться о том, чтобы не перегреть его. Эта рекомендация наверняка связана с тем, что конструкция кварцевого резонатора довольно тонкая. Температурный перегрев может вызвать деформацию кварцедержателя и пластинок-электродов. Естественно, всё это может отразиться на качестве работы резонатора в схеме.
Также известно, что если кварц нагреть свыше 573 0 С, то он превращается в высокотемпературный кварц и лишается своих пьезоэлектрических свойств. Конечно, довести температуру кварца до такой температуры оборудованием для пайки нереально.
Обозначение кварцевого резонатора.
На принципиальных схемах и в технической документации кварцевый резонатор обозначается наподобие конденсатора, только между пластинами добавлен прямоугольник, который символизирует пластинку кварца. Рядом с графическим изображением указывается буква Z или ZQ.
Условное обозначение кварцевого резонатора на схемах
Как проверить кварцевый резонатор?
Многие начинающие радиолюбители задаются вопросом: “Как проверить кварцевый резонатор?”
К сожалению, достоверно проверить кварцевый резонатор можно только заменой. Причиной неисправности кварцевого резонатора может быть сильный удар либо падение электронного прибора, в котором он был установлен. Поэтому если есть подозрение в исправности кварцевого резонатора, то его стоит заменить новым. К счастью в практике ремонта неисправность кварцевого резонатора встречается редко, конечно, есть и исключения, но они относятся к портативной электронике, которую частенько роняют.
Более подробную информацию о кварцевых резонаторах вы узнаете из книги, которую найдёте здесь.
Основу кварцевых генераторов составляют кварцевые резонаторы.
Кварцевый резонатор
— это пластинка кварца, закрепленная определенным образом в кварцедержателе и представляющая собой электромеханическую колебательную систему. Эти резонаторы относятся к пьезоэлектрическим элементам, принцип действия которых основан на использовании прямого и обратного пьезоэффекта.
Прямой пьезоэффект
состоит в том, что механическая нагрузка на материал элемента вызывает появление электрического напряжения между соответствующими поверхностями элемента.
Обратный пьезоэффект
состоит в том, что электрическое напряжение между соответствующими поверхностями элемента, создаваемое с помощью внешнего источника напряжения, вызывает появление механических напряжений, которые могут изменять форму и размеры элемента.
Кварцевые резонаторы изготавливают из природного и искусственного монокристаллического кварца. Из заготовки вырезают пластины, грани которых определенным образом ориентированы относительно кристаллографических осей монокристалла. В рабочем режиме на обкладках пластины имеется переменное напряжение, и имеют место механические колебания пластины. Используются колебания сжатия-растяжения, изгиба, кручения и другие.
При анализе схемы с кварцевым резонатором (рис. 2.69, а) его удобно заменять эквивалентной схемой, представленной на рис 2.69, б.
Необходимо отметить, что именно эта эквивалентная схема кварцевого резонатора используется в пакете программ «PSpice» для моделирования электронных схем. В эквивалентной схеме могут иметь место и параллельный, и последовательный резонанс. На практике используют оба вида резонанса.
На частоте последовательного резонанса ωk= 1/(Lk·Ck) 1/2 резонатор имеет минимальное сопротивление Rk.Частота параллельного резонанса ω ≈ 1/ [ Lk · Ck· C / ( Ck+ C ) ]1/2.
В диапазоне частот между ωk и ω резонатор ведет себя как некоторая индуктивность.
Кварцевые резонаторы характеризуются высокой стабильностью и добротностью (Qk= 10 4 − 10 5 ). Использование кварцевых резонаторов позволяет снизить относительное изменение частоты генераторов до очень малых значений (10 −6 − 10 −9 ).
Приведем для примера упрощенную схему кварцевого генератора на основе операционного усилителя при использовании последовательного резонанса (рис. 2.70). 
На частоте последовательного резонанса в схеме имеет место сильная положительная обратная связь, что и поддерживает автоколебания.
