Главная Промышленная автоматика.

катушек иНДуктивНостей, разрабатываются и специальные резонаторы, обеспечивающие возможность селекции нужной частоты в резонаторе [89]. Конструкция резонатора делается такой, чтобы происходила компенсация иа всех порядках колебаняй, начиная с п - 2. Рабочая частота таких КГ может быть примерно 200 МГц.

6.4. Генераторы с использованием устройств на поверхностных акустических волнах

Генераторы с использованием устройств иа поверхностных акустических волнах (ПАВ) прн высокой рабочей частоте обладают возможностью совмещения с различными элементами интегральных схем, технологичностью нсполиення, управления характеристиками н перестройкой частоты в широких пределах.

г, U

тг Z


Рис. 6.5. Схема КГ. предназначенная для интегрального исполнения

Рис. 6.6. Структурная схема КГ на резонаторе ПАВ

Известно, ЧТО генераторы ПАВ могут быть реализованы с при-менекнем резонаторов лнбо линий задержки ПАВ. Структурная схема генератора с резонатором ПАВ без перестройки частоты приведена на рис. 6.6.

Резонатор, представляющий собой встречно-штыревой преобразователь (ВШП) 3 н отражательные решетки 2, нанесенные на пьезоэлектрическую подложку 4, включен в цепь положительной обратной связя усилителя /.

Добротность резонаторов достигает 30 • !0» [951, это позволяет создавать стабильные генераторы ПАВ в диапазоне частот от 20 МГц до 3 ГГц.

Более широко применяются генераторы ПАВ с возможностью плавной нлн дискретной перестройки частоты в широких пределах. На рис. 6.7 приведена схема генератора ПАВ с перестройкой частоты [5!). Колебательная система генератора образована двумя резонаторами ПАВ. Резонатор / формирует дискретную сетку частот, 2 обеспечивает частотную селекцию и перестройку частоты генератора. Резонаторы ПАВ выполнены на подложке из инобата лития. Длина основного резонатора /= 212Х.

Резонаторы образованы двумя ВШП с 15 парами штырей каждый. Для увеличения коэффициента отражения статические емкости ВШП скомпенсированы нидуктнвиостями. Добротность резонатора Q = 3 • 10». Частотная селекция обеспечивается с помощью короткого селектирующего резонатора 2 длиной I = 15Х; ВШП селектирующего резонатора имеют 10 пар штырей, статические емко-

сти их также скомпенсированы нндуктивностнмн. Селектирующий резонатор перестраивается конденсатором, подключенным к управляющему преобразователю фазовращателя 3. Емкость изменнется в пределах 5-85 пФ. Добротность селектирующего резонатора при перестройке изменяется в пределах 300-600. Диапазон перестройки около 1,6 МГц; центральная частота .еиерацнн 50 МГц. Резонатор / включен по схеме четырехполюсника, что обеспечивает допол-

, ннтельную селекцию ча-

-П "1 -стоты по сравнению с

р- включением по схеме двухполюсника. Это поз-всяет ослабить требования к добротности селектирующего резонатора.



Рис. 6.7. Схема КГ на резонаторе ПАВ, перестраиваемого по частоте

Рис. 6.8. Структурная схема кг иа линии задержки ПАВ

Баланс фаз в цепн положительной обратной связи обеспечнва» ется прн условии

<oL/V + 1) (со) = 2лп, (6.4)

где п - целое число; iji -7 дополнительный фазовый сдвнг электронной схемы; L - длина резонатора.

Если сдвиг фаз, вносимый генератором, незначителен (ф ~ 0), то условия возбуждения выполняются для частот, у которых набег фазы на длине L равен 2лп. Прн нзмеиеннн емкости в пределах 5- 85 пФ частота генератора скачкообразно изменяется. Прн числе дискретных частот в диапазоне перестройки N, а шаге перестройки V/2L длина селектирующего резонатора должна удовлетворять условию L/N. При этом,полоса пропускания селектирующего резонатора должна быть меньше шага перестройки, т. е. добротность не меньше

Q>f2L/V. (6.5)

С другой стороны,, добротность резонатора

Q = 2л; ? (1 -(6.6)

где R - коэффициент отражения отражательной структуры, величина, близкая к единице.

Из (6.5) и (6.6) видно, что для обеспечения селекции длина селектирующего резонатора Z > L (1 - /?)/2л/?. В диапазоне перестройки число дискретных частот N = 2л/?/ (1 - R). Для генератора, выполненного с линией задержки ПАВ в цепи положительной обратной связи усилителя /, изображенного на рис. 6.8, баланс фаз обеспечивается также при выполнении условия (.6.4). При большой ра-



бочей длине линии задержки I можно пренебречь фазовым сдвигом, вносимым генератором, и из (6.4) получить выражение для множества возможных частот генерации: со = 2nVn/L. Если учесть, что частотная, характеристика преобразователя имеет форму sin Х/Х [1371, где X = Nn (со - а)(,)/а)„, нули частотной характеристики линии задержки X = ±/?л {R = 0). Частотный интервал между нулями Лш = (ojN. Условием одиомодового возбуждения генератора с линией задержки ПАВ является совпадение всех частот гребенчатого спектра, кроме центральной с нулями частотной характеристики преобразователя, т. е. выполнение соотношения

2nVlL = cOo/iV. (6.7)

Учитывая, что ш„ = 2л/„, а V/fo = К< из (6.7) получим, что для одно.модового возбуждения генератора с линией задержки ПАВ


Рис. 6.9. Схема КГ с линией задержки ПАВ в цепи положительной обратной.

связи

рабочая длина этой линии должна быть равна эффективной длине хотя бы одного из преобразователей, т. е.

L = Nko- (6.8)

На рис. 6.9 приведен один из возможных вариантов схемы генератора с линией задержки ПАВ в цепи положительной обратной связи. Генератор выполнен иа двух траизисторах, Т1 и Т2; катушки L1 и L2 служат для согласования полных сопротивлений линии задержки и активной части генератора. При соблюдении условия (6.8) в генераторе обеспечивается возможность одиочастотиого режима работы, центральная частота генератора примерно равна 50 МГц. Поскольку рабочая частота генератора ПАВ определяется в основном рабочей длиной линии задержки, это исполиэуется для управления частотой генератора.

На рис. 6.10, а приведена структурная схема генератора с перестройкой частоты [42] изменением рабочей длины линии задержки. Четыре выходных преобразователя 2 размещены в акустическом потоке входного ВШП-1 со сдвигом иа X/i в направлении распространения акустической волны. Диапазон перестройки 30%. Переключатель 3 позволяет переключать каналы линии задержки А...Д в цепи положительной обратной связи усилителя 4.

Спектр частот генератора изображен иа рис. 6.10, б. В линии задержки применены широкополосные ВШП для обеспечения мио-гомодового возбуждения. Прн включении генератор может возбудиться иа любой часхоте канала. Чтобы возбуждение произошло на определенной частоте, необходимо прн включении ввести в цепь

генератора сигнал этой частоты. В дальнейшем, при переключении, например, с канала Д иа канал С генератор будет работать в канале С на частоте, ближайшей к рабочей частоте канала Д. Диапазон перестройки.генератора ограничивается лишь полосой пропускания преобразователей линии задержки. В рассматриваемой схеме диапазон перестройки примерно равен 60 МГц.

.В [1181 описана структурная схема генератора ПАВ с непосредственной частотной модуляцией. Генератор выполнен на линии задержки ПАВ, включенной в цепь положительной обратной связи интегрального усилителя. Подложка линии задержки выполняется из пьезокварца среза X или ST. Торцы подложки металлизируются, и иа иих подается модулирующее напряжение, под действием которого вследствие пьезоэффекта пропорционально изменяется рабо-


I 1

L 1

i I .

Рис. 6.10. Пенератор на линии задержки ПАВ перестраиваемый по частоте: а - структурная схема КГ; б - структура частотообразовання

чая .длина линии задержки. Изменение рабочей длины линии задержки приводит к изменению времени задержки и, как результат, к изменению частоты генератора, т. е. осуществляется непосредственная частотная модуляция.

Важным параметром генераторов ПАВ, так же как к кварцевых генераторов с использованием объемных воли, является стабильность частоты.

Стабильность частоты, исследование различных спосоОов ее повышения рассмотреныв целом ряде работ. В [961 приводятся рекомендации, позволяющие получить максимальную кратковременную стабильность частоты за время усреднения примерно секунды.

Поскольку кратковременная стабильность частоты определяется, с одной стороны, флуктуациями параметров активной части генератора, а с другой, - добротностью резоиаторо и лиинн задержки ПАВ, то для обеспечения высокой кратковременной стабильности необходимо, чтобы уровень собственных шумов активной части генераторабыл минимальным, добротность стабилизирующего элемента-максимальной. С точки зрения получения максимальной кратковременной стабильности предпочтительно применять в Генераторах ПАВ не линии задержки, а резонаторы ПАВ., имеющие большую добротность.

Температурная стабильность частоты генераторов ПАВ может быть повышена либо специальной коиструйцней стабилизирующего элемента, либо применением способов компспсацин, которые аналогичны подробно рассмотренным в разд. 8. В [13] рассматривается возможность повышения температурной стабнльпостп генератора



ПАВ путем применения слоистой структуры {SLT-SiO,LiTaO,), имеющей малый температурный коэффициент в широком интервале температур. На подложку нз танталата лития наносятся ВШП н покрываются пленкой нз двуокнсн кремния. Толщина пленки определяет значение температурного коэффициента. Можно повысить температурную стабильность частоты, генератора ПАВ применением стабилизирующих элементов с различными температурными коэффициентами. В генераторе, рассмотренном в [77], нспользуютси два резонатора ПАВ, включенные параллельно. Резонаторы выполнены на одной подложке нз пьезокварца К-среза, причем иа пьёзо-подложке резонаторы ориентированы так, чтобы их температурные коэффициенты были различными. В результате на частоте 150 МГц в интервале температур Д/ж 60 °С была получена стабильность частоты ±2 • 10-*. Однако это значение стабильности получено без учета изменения частоты из-за циклических изменений температуры, кроме того, происходит ее значительное ухудшение с течением времени, из-за старения.

Если в качестве материала подложки применяется пьезокварц, то нспользуетсн другая возможность повышения температурной стабильности генератора ПАВ, основанная на различных знаках температурного коэффициента задержки при распростраиеинн поверхностной акустической волны вдоль осей X н Z. Конструкция такой линии задержки ПАВ описана в [111]. Акустическая волна распространяется в ней по ломаной траектории вдоль осей X н Z. Выбором соотношения длин траекторий волны вдоль осей X н Z добиваются Взаимной компенсации изменений времени задержки в интервале температур.

Изменение частоты генераторов ПАВ во времени, из-за старения, обусловленное изменениями параметров звукопровода резонатора или лиинн задержки ПАВ во времени, примерно на поридок больше изменения частоты кварцевых генераторов с кварцевыми резонаторами, использующими объемную волиу. Поэтому основной областью их применения следует считать устройства, где необходимы ширбкне пределы перестройки по частоте прн высокой центральной частоте, а к стабильности частоты жестких требований ие предъявляется. Возможность разработки генераторов ПАВ на частоты вплоть до единиц гигагерц с широкими пределами перестройки частоты, стимулирует работй в области повышении стабильности частоты генераторов ПАВ, и такие генераторы, по мере достижения более высокой стабильности частоты, все более широко могут быть использованы при разработке самой различной радиоаппаратуры.

ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННЫЕ КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ 7.1. Кварцевые резонвторы

Основной составляющей нестабильности частоты КГ является температурная нестабильность, определяемая воздействием температуры иа резонатор. Одним нз способов повышения температурной стабильности является термокомпенсация. Для осуществления термокомпеисацнн в генератор включается термозависимое устрой-

ство, обеспечивающее изменение частоты при изменении температуры этого устройства, противоположное изменению частоты от воздействия температуры иа остальную часть генератооа.

Эксплуатационные характеристики генераторов при использовании термокомпеисацнн: высокая стабильность частоты, малые габариты и масса, экономичность н высокая надежность, малое время готовности к работе, определили тот интерес н усилия, которые в последнее время приложили разработчики к созданию и совер-шелствоаиню способов термокомпенсацни. Блafoдapи этим усилиям в условиях общего прогресса радиоэл.ектроннкн быяи созданы термокомпенснровапиые кварцевые генераторы (ТККГ), отвечающие современным требованиям. Термокомпеисироваиные гене(>ато-ры получили в настоящее время широкое применение, потеснив в риде "случаев ТСКГ.

Характернстнди ТККГ в значительной степени определяются параметрами применяемы*! в иих резонаторов.

При осуществлении термокомпенсации генераторов производится управление его частотой в пределах, определяемых в основном ТЧХ резонатора. Температурная стабильность ТККГ определяется точностью аппроксимации ТЧХ с помощью устройства, осуществляющего термокомпеисацию, а также в большой степени определя-етси характером ТЧХ резонатора. Отсюда можно определить требования к основным характеристикам резонатора, предназначенного для применения в ТККГ. В первую очередь эти требования должны быть предъявлены к ТЧХ резонатора.

При разработке ТККГ, так же как и простых генераторов, необходимо стремиться к использованию резонаторов с минимальной разницей между максимальным и минимальным значениями частоты в интервале рабочих температур - с минимальным размахом ТЧХ. Прн этом обеспечивается и минимальное влияние цепи термокомпеисацнн на стабильность частоты при воздействии дестабилизирующих факторов.

Требование к сложности цепи, осуществляющей термокомпенсацию, а также трудоемкость прйцесса регулировки этой цепи уменьшаются за счет уменьшения разброса ТЧХ резонатора. При этом одновременно обеспечивается уменьшение максимального размаха ТЧХ в интервале компенсации.

Уменьшение разброса ТЧХ резонаторов достигается как благодаря уменьшению разброса угла среза, так н повышения точности других операций при изготовлении резонатора, которые приводят к увеличению разброса и появлению аномалий на ТЧХ (сортировка сырья, соблюдение геометрических размеров пьезоэлемента и электродов, контроль положения электродов иа пьезоэлементе, обработка поверхности пьезоэлемента н электродов, выбор мест крепления элемента в держателе п пр.).

Кроме определенного размаха ТЧХ в рабоче>,1 интервале температур возможность получения необходимых для компенсации этого размаха пределов управления частотой определяется управляемостью генератора с данным резонатором по частоте. Для получения необходимой для компенсации крутизны управления частотой резонаторы должны иметь достаточно большое емкостное отношение т, которое определяет эту крутизну [17].

Емкостное отношение т, форма и разброс ТЧХ определяются в основном срезом резонатора. По совокупности названных параметров наиболеепригодны для применения в ТККГ резонаторы AT





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 [12] 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

0.0037