Кварцевые автогенераторы
Кварцевая пластина обладает пьезоэлектрическим эффектом, суть которого заключается в следующем.
Если на кварцевую пластину воздействовать электрическими колебаниями, то на гранях пластины возникают механические напряжения, приводящие к механическим колебаниям пластины. И, наоборот, переменные механические деформации пластины кварца приводят к появлению на гранях пластины переменных электрических напряжений.
Так как кварцевая пластина является упругим телом, то возникающие в ней колебания имеют собственные частоты. Если частота ЭДС, приложенной к пластине кварца, равна собственной частоте кварца, то наступит электрический и механический резонанс, и ток во внешней цепи будет максимальным.
Механическая система в радиотехнике заменяется эквивалентной колебательной (рис. 3.20).
С0–(5 50) пф – емкость кварцедержателя;
LК–(3Гн 15мкГн) – характеризует инерционные свойства пластины;
СК–(0,01 0,05) пф – характеризует упругие свойства;
rК–(3 200) Ом – сопротивление, определяющее потери в пластине на трение.
а)
б)
Рис. 3.20. Условное обозначение кварцевого резонатора (а), эквивалентная схема его замещения (б)
Такой порядок параметров приводит к высокой добротности эквивалентного контура QК = (3 30) 104.
Кварцевую пластину в кварцедержателе называют кварцевым резонатором. Так как кварцевый резонатор эквивалентен сложному параллельному контуру (III вида), то существуют 2 резонансные частоты (рис. 3.21)
f посл.рез. fk1 = 1 / 2(LkCk)1/2,
fпар.рез. fk2=1/[2(LkCkC0 / (Ck+C0))1/2]
= fk1(1+qk)1/2 = fk1(1+qk/2),
где qk = Ck / C0 – параметр управляемости кварца.
Частота параллельного резонанса выше частоты последовательного резонанса. В интервале fk1 fk2 кварц эквивалентен индуктивности. Так на частоте fk1 выполняется условие последовательного резонанса (реактивные сопротивления равны)
Lk = 1 / Ck,
т.е. Lk – 1 / Ck = 0. При увеличении частоты индуктивное сопротивление растет, емкостное сопротивление уменьшается, значит, цепь носит индуктивный характер.
Н
а
частоте fk2
выполняется условие параллельного
резонанса (проводимости ветвей равны)
1/Lk
= CЭ,
т.е. 1/Lk–CЭ
=0. При уменьшении частоты индуктивная
проводимость растет, а емкостная
проводимость уменьшается, поэтому цепь
носит индуктивный характер.
Рис. 3.21. Зависимость реактивного сопротивления кварцевого резонатора от частоты
Некоторые схемы кварцевых автогенераторов приведены на рис. 3.22 – 3.24.
Рис. 3.22. Схема кварцевого автогенератора
с кварцем в цепи коллектор-база
В автогенераторах кварц необходимо использовать как индуктивность, т.е. между частотами fk1 fk2, по следующим причинам. Если использовать кварц как емкость, то в случае пробоя кварца он может сохранить электрические свойства, но с другим значением емкости, т.е. АГ будет вырабатывать автоколебания, но с другой частотой.
Рис. 4.23. Схема кварцевого автогенератора с кварцем в цепи коллектор-эмиттер
О
сновная
причина в том, что только в интервале
fk1
fk2
наблюдается механический и электрический
резонанс кварца, и амплитуды электрических
и механических колебаний имеют
максимальные значения.
Рис. 3.24. Схема кварцевого автогенератора
с кварцем в цепи база-эмиттер
Схемы кварцевых генераторов классифицируются в зависимости от того, между какими электродами включается кварц. Напомним, кварц используется в качестве индуктивности.
Возможно подключение кварца к полупроводниковому триоду: между коллектором (стоком) и базой (затвором), коллектором (стоком ) и эмиттером (истоком), эмиттером (истоком) и базой (затвором).
Наиболее распространенной является схема автогенератора с кварцем в цепи коллектор-база. Реже используется автогенератор с кварцем в цепи коллектор-эмиттер. Недостаток заключается в том, что кварц шунтируется выходным сопротивлением транзистора, которое в общем случае комплексно, а также кварц шунтируется резистором Rk. Кварцевый автогенератор с кварцем в цепи база-эмиттер используется редко из-за сильного шунтирования кварца малым входным сопротивлением транзистора, что приводит к уменьшению эквивалентной добротности колебательной системы, к снижению ее эквивалентного сопротивления.