Несмотря на все перечисленные в предыдущей главе меры увеличения стабильности гетеродинов трудно получить относительную стабильность частоты выше значения 10 -3 . 10 -4 . Эта нестабильность приводит к уходу частоты настройки радиоприемного устройства на частоте 100 МГц на 100 . 10 кГц. Это значение превышает ширину частотного канала современных систем мобильной связи. На более высоких частотах положение с абсолютным уходом частоты в зависимости от температуры еще больше ухудшается.
Поэтому велись работы по увеличению стабильности частотозадающих элементов. В результате удалось получить стабильность на два порядка выше при применении в качестве частотозадающих элементов генераторы кварцевых резонаторов. При этом можно обеспечить относительную стабильность частоты генератора от 10 -5 до 10 -8 .
Кварцевые резонаторы
Кварцевый резонатор применяется в гетеродинах радиоприемников в качестве частотозадающего колебательного резонансного LC контура. Благодаря малым потерям энергии в данном резонаторе удается достигнуть добротности порядка нескольких тысяч.
Рассмотрим, как устроены кварцевые резонаторы, и на каких принципах они работают. Кварцевые кристаллы известны в природе как горный хрусталь, аметист или раухтопаз. В качестве примера на рисунке 1 приведена фотография друзы кристаллов раухтопаза.
Рисунок 1. Внешний вид кварцевых кристаллов
Добываются природные кристаллы кварца в основном на рудниках Бразилии. Природные кристаллы кварца содержат в себе большое число неоднородностей. Кроме того, они дороги, поэтому в настоящее время в основном применяются искусственно выращенные кристаллы кварца. Кварцевые кристаллы выращиваются из щелочных растворов в автоклавах при температуре 400 C° и давлении около 2000 атм. Процесс выращивания кристалла длится от 30 до 45 дней.
Особенностью кристалла кварца является то, что он обладает пьезоэффектом. Пьезоэффект обуславливается особым строением кристалла кварца. Он представляет собой правильную шестиугольную призму. Схематически расположение ионов кислорода и кремния в кристалле кварца изображено на рисунке 2.
Рисунок 2. Расположение ионов кислорода и кремния в кристалле кварца
В кристалле явным образом наблюдается электрическая ось x и механическая ось y. При сжатии кристалла вдоль механической оси y ионы отрицательные кислорода вытесняются с одной стороны, а положительные ионы кремния с другой. В результате возникает разность потенциалов. Сжатие или растяжение по оси Z не вызывает появления зарядов на гранях. Поэтому ось Z называется оптической.
Благодаря симметричности кристалла кварца механическую и электрическую оси можно провести тремя разными способами. Эффект при этом не изменится. На рисунке 3 показано, как нужно вырезать пластинку из кристалла кварца для того, чтобы на ее краях возникала разность потенциалов.
Рисунок 3. Как вырезается пьезоэлектрическая пластинка из кварцевого кристалла
Срез, показанный на рисунке 3, получил название XT-срез. Изменение размеров XT среза кварцевой пластинки при прикладывании разности потенциалов к ее поверхности приведен на рисунке 4.
Рисунок 4. Изменение размеров XT-среза кварцевой пластинки при прикладывании разности потенциалов к ее поверхности
XT-срез применяется для изготовления низкочастотных кварцевых резонаторов. Например, часовых резонаторов на частоту 32768 кГц. Чертеж часового кварцевого резонатора приведен на рисунке 5. Он выполнен в виде вилки камертона. Эта форма, как и в музыкальной технике, позволяет получить очень высокую добротность резонатора
Рисунок 5. Чертеж камертонной вилки часового кварцевого резонатора
Форма колебаний плеч камертона часового кварцевого резонатора приведена на рисунке 6.
Рисунок 6. Колебания плеч часового кварцевого резонатора
Фотография часового кварцевого резонатора со снятым защитным корпусом приведена на рисунке 7.
Рисунок 7. Внешний вид часового кварцевого резонатора
Следует заметить, что подобный срез кварцевой пластинки не позволяет получить высокую стабильность частоты колебаний. На рисунке 8 приведена типовая зависимость отклонения частоты кварцевого резонатора XT-среза от температуры окружающей среды.
Рисунок 8. Зависимость ухода резонансной частоты от температуры для XT-среза кварцевой пластинки
Как видно из этого графика, при изменении температуры от –25°С до +75°С, частота уходит на 80 миллионных (ppm). Это соответствует стабильности частоты 10 –4 , что вполне достаточно для работы наручных часов, синхронизации микропроцессоров, но слишком мало для стабилизации несущей частоты приемопередатчиков.
Намного лучшими характеристиками обладает AT-срез кристалла кварца. В отличие от XT-среза, в AT-срезе пластинка вырезается под углом к механической оси Z. Его значение составляет 35°15′ (на частотах выше 10 МГц угол среза будет уже 35°18′). Поэтому в пластинке при прикладывании переменного напряжения формируется сдвиг по толщине, как это показано на рисунке 9.
Рисунок 9. Сдвиг поверхностей AT-среза кварцевой пластинки при прикладывании к ним разности потенциалов
В AT резонаторе его резонансная частота зависит от толщины пластинки. Толщина кварцевой пластинки определяется как . Пластинку можно вырезать в виде полоски и разместить в таком же корпусе, как и часовой кварц.
Рисунок 10. Внешний вид малогабаритного кварцевого резонатора с AT-срезом
Однако для уменьшения потерь и исключения паразитных колебаний на нежелательных частотах (а именно это и требуется в гетеродинах радиоприемников и возбудителях передатчиков), форму пластинки делают в виде диска или линзы. Внешний вид кварцевого резонатора с AT-срезом пластинки приведен на рисунке 11.
Рисунок 11. Внешний вид кварцевого резонатора с AT-срезом
На рисунке 12 приведены типовые зависимости отклонения частоты кварцевого резонатора AT-среза от температуры окружающей среды при различных отклонениях угла среза от оптимального значения 35°15′.
Рисунок 12. Типовые температурные зависимости ухода частоты кварцевого резонатора AT-среза
Как видно из графика, при точном соблюдении угла среза кварцевого кристалла, в том же диапазоне температур уход частоты кварцевого резонатора не превышает ±10ppm. Это соответствует нестабильности частоты 10 –5 .
Эквивалентная схема кварцевого резонатора приведена на рисунке 13, а характеристика зависимости его сопротивления от частоты — на рисунке 14.
Рисунок 13 — эквивалентная схема кварцевого резонатора
Последовательные контура в данной эквивалентной схеме отображают основную частоту колебания пластинки, третью и, если нужно, то пятую гармонику основного колебания. Конденсатор C1 отображает емкость кварцедержателя.
Рисунок 14 — Зависимость сопротивления кварцевого резонатора от частоты
В диапазоне частот от последовательного резонанса (минимум сопротивления) до параллельного резонанса (максимум сопротивления) кварцевый резонатор обладает индуктивным сопротивлением. Одна из наиболее распространенных схем кварцевых генераторов, выполненная на биполярном транзисторе, приведена на рисунке 15.
Рисунок 15 — Схема кварцевого генератора на биполярном транзисторе
Это типичная схема Колпитца, в которой кварцевый резонатор Z1 применяется вместо катушки индуктивности.
Вместе со статьей "Особенности кварцевой стабилизации частоты генераторов" читают:
Кварцевый генератор, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором, является обязательным узлом для большинства современных приемников и трансиверов, а также для измерительных приборов. В этом обзоре приведены варианты возможного исполнения подобных генераторов па частоты от единиц до десятков мегагерц.
Прежде чем переходить к практическим схемам, отметим, что для широко распространенных кварцев основная рабочая частота обычно не превышает 10…15 МГц. Обусловлено это трудностями в изготовлении (при серийном производстве) очень тонких кварцевых пластин с высокой степенью параллельности рабочих сторон. Последнее, в частности, сильно влияет на моночастотность резонатора (отсутствие паразитных резонансов, особенно вблизи основной рабочей частоты).
Применительно кварцевый генератор наличие таких резонансов может привести к возбуждению резонатора не на той частоте, что указана на его корпусе, или к скачку частоты генератора при изменении внешних условий (температура, сопротивление нагрузки и т.п.). Если частота, указанная на корпусе кварцевого резонатора, выше 15 МГц, то с высокой степенью вероятности этот резонатор гармониковый, и его основная частота в три или даже в пять раз ниже “номинала”.
В кварцевый генератор, схема которого показана на рисунке, кварцевый резонатор возбуждается на основной частоте. Для его устойчивой работы сопротивление нагрузки (входное сопротивление следующего каскада) должно быть не менее 1 кОм. При этом высокочастотное напряжение на выходе генератора будет не менее 0,5 В (здесь и далее – эффективное значение). Номиналы конденсаторов С3, С4 и резистора R4 зависят от рабочей частоты кварцевого резонатора. Для полосы частот 1…3 МГц они должны быть соответственно 270 пФ, 180 пФ и 3,3 кОм; для 3…6 МГц – 180 пФ, 120 пФ и 3,3 кОм; для 6…10 МГц – 180 пФ, 120 пФ и 2,2 кОм; для 10…18 МГц – 150 пФ, 68 пФ и 1,2 кОм; для 18…21 МГц – 68 пФ, 33 пФ и 680 Ом.
Как принято говорить в таких случаях, при исправных деталях и безошибочном монтаже генератор настройки не требует (за исключением, быть может, некоторой коррекции рабочей частоты подстройкой конденсатора С2). Если при выполнении двух названных выше условий генератор все же не заработал, то единственной причиной этого может быть невысокая активность кварцевого резонатора. В этом случает его следует либо заменить на другой, либо попытаться “поиграться” с номиналами конденсаторов С3 и С4. В частности, может помочь изменение в ту или иную сторону отношения их емкостей.
На втором рисунке приведена схема кварцевый генератор, в котором кварцевый резонатор возбуждается на нечетных гармониках его основной рабочей частоты.
Как и в предыдущем варианте, входное сопротивление следующего каскада должно быть не менее 1 кОм. Выходное напряжение – примерно 0,5 В. Для полосы частот 15…25 МГц емкости конденсаторов С2, С3 и С4 должны быть соответственно 100, 100 и 68 пФ; для 25…55 МГц – 100, 68 и 47 пФ; для 50…65 МГц – 68, 33 и 15 пФ. Катушку L1 наматывают проводом диаметром 0,3 мм на каркасе диаметром 5 мм. Она имеет подстроечник из карбонильного железа (диаметр – 4 мм). Для трех указанных выше полос рабочих частот число витков должно быть соответственно 15, 10 и 7.
Налаживают кварцевый генератор подстройкой катушки L1 по устойчивой генерации на третьей гармонике основной частоты кварцевого резонатора. Если этого не происходит при любом положении подстроечника, то следует подобрать число витков катушки или попробовать провести эту операцию, установив конденсатор С2 с большим или меньшим номиналом. Если же и эта операция не поможет, то скорее всего причиной является низкая активность кварцевого резонатора (см. выше). Следует заметить, что далеко не все резонаторы, устойчиво генерирующие на основной частоте, также устойчиво работают и на гармониках.
Подобный кварцевый генератор может обеспечить напряжение около 2В на высокоомной нагрузке (например, смесительный каскад на транзисторе с изолированным затвором) на более высокой частоте, если в цепь коллектора транзистора VT1 ввести полосовой фильтр, настроенный, например, на вторую гармонику рабочей частоты генератора (т.е. это будет генератор – удвоитель частоты на одном транзисторе). Катушки индуктивности L2 и L3 такого фильтра наматывают проводом диаметром 0,6 мм на каркасе диаметром 5 мм с двумя подстроечниками из карбонильного железа (диаметр 4 мм). Расстояние между катушками – 5 мм. Для полосы частот 60…90 МГц число витков должно быть 9, а для 90…130 МГц – 6. Номиналы конденсаторов С6, С7 фильтра – 33 и 22 пФ соответственно.
Кварцевый генератор, схема которого показана на рисунке, чуть посложнее – он содержит колебательный контур.
Это даст сразу два преимущества. Во-первых, он имеет более высокую спектральную чистоту выходного сигнала. Во-вторых, он обеспечивает более высокий уровень выходного сигнала (около 1В на нагрузке 100 Ом). Для полосы частот 1…3МГц емкости конденсаторов С2, С5 и С6 соответственно равняются 470, 270 и 2000 пФ; для 3… 10 МГц – 330, 150 и 1500 пФ; для 10…30 МГц – 180. 47 и 330 пФ. Катушка L1 должна иметь при среднем положении подстроечника такую индуктивность, чтобы обеспечить с конденсатором С5 резонанс па рабочей частоте. Налаживают этот генератор по устойчивой генерации на основной частоте кварцевого резонатора или на ее третьей гармонике.
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.