10.3.5. Кварцові генератори

Кварцові генератори знаходять досить широке використання в цифровій схемотехніці, оскільки забезпечують генерацію високостабільних імпульсних коливань на різних частотах.

Відомо, що кварц як електричний прилад має схему заміщення, що приведена на рис. 10.37.

Рис. 10.37

Але особливість кварцу проявляється не в самій схемі заміщення, а в її параметрах. Так, наприклад, для кварцу з основною резонансною частотою 2 МГц маємо: R = 100 Ом; L = 0,52 Гн; C₁ = 0,012 пФ; C₀ = 4 пФ; добротність . Тобто кварц як коливальний контур може забезпечити недосяжну величину для дискретних компонентів добротність.

Кварцовий резонатор має дві резонансні частоти, при яких повний опір має активний характер. Перша – частота послідовного резонансу:

;

друга – частота паралельного резонансу:

.

Оскільки , то і різниця між частотами f₁ та f₂ досить мала. В діапазоні між вказаними двома частотами опір кварці носить індуктивний характер і використовується безпосередньо для побудови кварцових генераторів як на основі послідовного, так і паралельного резонансів.

Схеми кварцових генераторів будуються як на основі послідовного, так і паралельного резонансів.

При використанні послідовного резонансу кварц використовується або як безпосередньо резонансний контур, або як індуктивний опір у діапазоні частот f₁ та f₂ . Узагальнені схеми таких генераторів приведені на рис. 10.38.

Рис. 10.38

У схемі рис. 10.38, а кварц на резонансній частоті має нульовий фазовий зсув, тому коло зворотного зв’язку не вносить фазових спотворень. Підсилювач, який в подібних схемах може складатися з двох інверторів, також не повинен вносити фазових спотворень.

У схемі, приведеній на рис. 10.38, б, кварц діє як індуктивність, а конденсатор С компенсує фазовий зсув, що вноситься індуктивним опором jx кварцу. Така схема дає можливість підвищувати частоту генерації коливань порівняно з власною резонансною частотою кварцу. Змінюючи величину ємності конденсатора, можливо у незначних межах забезпечувати регулювання частоти генерації.

Узагальнені схеми генераторів з використанням паралельного резонансу приведені на рис. 10.39.

Рис. 10.39

В обох варіантах схем генератор містить у собі інвертуючий підсилювач, який забезпечує зсув фази генерованого сигналу на 180, і фазообертаючий контур, що також забезпечує зсув фази на 180. В обох випадках кварц використовується як індуктивний елемент з опором jx, створюючи з конденсаторами C₁ та C₂ (рис. 10.39, а) або з конденсатором С та індуктивністю L (рис. 10.39, б) коливальний контур з резонансною частотою f_p .

Розглянуті схеми генераторів іноді називають генераторами з позитивним реактивним опором, оскільки опір кварцу використовується з позитивним знаком.

На відміну від генераторів синусоїдальних коливань, які виготовляються з використанням високочастотних транзисторів та широкого набору засобів стабілізації частоти, імпульсні генератори мають значно меншу стабільність частоти (10^–4…10^–5 проти 10^–7…10^–8). При використанні ЛЕ один з них переводиться в активний режим для забезпечення необхідного коефіцієнта підсилення, тобто умов збудження. Безпосередньо генератор відокремлений від навантаження буферним каскадом, який підвищує стабільність коливань і одночасно формує фронти вихідних імпульсів.

Розглянемо тепер декілька прикладів практичних схем генераторів.

Одним з найпростіших є генератор, схема якого приведена на рис. 10.40.

Рис. 10.40

Пристрій працює на власній частоті послідовного резонансу кварцу. ЛЕ DD1.1 і DD1.2 працюють в активному режимі, який забезпечується опорами R₁…R₄ . ЛЕ DD1.3 і DD1.4 виконують функції буферного підсилювача. Більш широко приведена схема використовується з допоміжним конденсатором С, який змінює режим роботи кварцу з резонансного на режим позитивного реактивного опору. Відношення опорів та повинно перевищувати 1. Фазовий зсув підсилювача 0 або 360 забезпечується в широкому частотному діапазоні.

Кварцовий генератор з використанням паралельного резонансу кварцу ілюструється схемою, що приведена на рис. 10.41.

Завдяки опорові R₂ ЛЕ DD1.1 працює в активному режимі, а коефіцієнт підсилення забезпечується відношенням і повинен бути більшим 1 за модулем.

Рис. 10.41

Паралельний контур створюється кварцом ZQ, який працює в режимі позитивного реактивного опору, і компенсуючими конденсаторами С₁ та С₂ . Підсилювач на DD1 забезпечує зсув фази на 180. Ланка зворотного зв’язку ZQ, С₁ , С₂ також забезпечує зсув фази на 180. Таким чином забезпечуються всі умови для генерації коливань. ЛЕ DD1.2 виконує функцію буферного каскаду. Виготовлений на мікросхемах ТТЛ або КМОН-технологій, генератор може працювати в частотному діапазоні, в якому безпосередньо мікросхеми не вносять значного фазового зміщення. Нестабільність частоти для генераторів на КМОН ІС може досягати до , а на ТТЛ ІС – до .

Кварцові генератори можуть будуватися за схемами звичайних мультивібраторів.

На рис. 10.42 приведена схема кварцового генератора, яка практично повністю співпадає зі схемою мультивібратора (рис. 10.27).

Рис. 10.42

У цій схемі кварц працює в режимі послідовного резонансу, а ЛЕ DD1.3 є буферним елементом і може також виконувати функцію керованого ключа.

Враховуючи низький вхідний опір ЛЕ на біполярних транзисторах, такі генератори можуть працювати на частотах, які обмежуються лише частотними властивостями безпосередньо логічних елементів. Кварци для таких генераторів повинні мати досить високу добротність.

Приклад 10.6. На рис. 10.43 приведена схема кварцового генератора. Пояснити принцип його роботи. Пояснити особливості вибору опорів і конденсатора. Обґрунтувати існування умов збудження коливань.

Рис. 10.43

Пояснення. Логічні елементи DD1.1 і DD1.2 охоплені від’ємним зворотним зв’язком за допомогою опорів R₁ та R₂ . Тому вони повинні працювати в лінійному режимі з коефіцієнтом підсилення більшим 1. Якщо на частоті генерації конденсатор С разом з вхідним опором DD1.2 не впливатиме на величину фазового зміщення, то інвертуючі підсилювачі на DD1.1 і DD1.2 забезпечать нульовий фазовий зсув і коефіцієнт підсилення більший 1, тобто умови збудження повинні бути виконаними.

Конденсатор С разом із вхідним опором може створювати диференціюючу ланку. Якщо вибрати його ємність досить великою, щоб вона виконувала функцію розділюючої, то вносити помилку в фазовий зсув генерованого сигналу конденсатор не буде. Для цього необхідно виконання умови: , де R_вх – вхідний опір DD1.2; f_г – частота генерації коливань. Опори R₁ та R₂ повинні мати однакові розміри і забезпечувати величину вхідного струму для зміщення інвертора в активний режим. Для ТТЛ ІС цей опір може мати розміри від 400 Ом до 2-3 кОм. Кварц ZQ в схемі працює в режимі послідовного резонансу.

Кварцові генератори, побудовані на основі таймерів, мають свої переваги порівняно з описаними. Вони не мають допоміжних буферів, стійко працюють при зміні напруги живлення в широких межах.

На рис. 10.44 зображена схема кварцового генератора.

Рис. 10.44

Збудження коливань забезпечується колом, що починається від входу 6, через R₁ , ZQ, вхід 5, C.

Недоліком генераторів на базі таймерів є досить вузький частотний діапазон, що не досягає 1 МГц.