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无线电电子与电气工程百科全书 石英发电机。 无线电电子与电气工程百科全书
无线电电子与电气工程百科全书 / 业余无线电设备的结。 发电机，外差 在 LC 电路形式的谐振器上执行的自振荡器频率的相对不稳定性通常不低于 10-3... 10-4. 发生器的频率稳定性很大程度上取决于振荡系统的品质因数和稳定性。 LC 电路的品质因数通常不高于 200 ... 300。 现代无线电发射机和接收机对频率稳定性的要求更高。 通常长期相对频率不稳定性至少为 10-6... 10-8，这可以通过使用石英谐振器来实现。 石英谐振器的品质因数比 LC 电路上谐振器的品质因数高很多倍，为 104... 106. 石英振荡器的电路有很多。 因此，有必要考虑实践中最常用的方案。 普遍接受的石英谐振器等效电路如图 1 所示。 动态电感 Ls、动态电容 Cs 和损耗电阻 Rs 是由于压电元件的正反压电效应和谐振特性的存在。 并联电容 Cp 是由于压电体的极间电容、外壳和安装的电容。 动态支路的谐振频率称为石英谐振器的串联谐振频率Fs。
石英谐振器的品质因数 Q 由动态支路根据串联振荡电路的公式确定 Q=(2pFsLs)/Rs 并联谐振Fp的频率略高于Fs，这是由于Cp、Cs和Ls的并联谐振造成的。 石英谐振器的一个重要参数是其并联与动态电容的比值，用 r 表示，称为电容系数 r=Cc/Cs 根据各种文献资料，石英 AT 切割的电容系数为 220...250。 考虑到Cs/Cp<0,1，可以使用并联谐振频率的近似表达式 Fp=Fs(1+(Cs/2Cp))。 对于电容系数 r > 25，谐振间隔，定义为石英谐振器的并联和串联谐振频率之间的差异，可以写为 dF=Fs/2r。 在石英谐振器的机械谐波处，谐振间隔减小并由表达式确定 dFn=Fs/(2rn2) 其中n是谐波数。 电容系数决定了谐振器谐振间隙的大小，因此，受控石英振荡器的频率偏差，电路参数变化时的频率稳定性，石英自振荡器电路中振荡发生和维持的条件. 为了评估石英谐振器被激发的能力，一些晶体振荡器电路使用一个称为 品质因数。 它被定义为谐振器的品质因数与其电容系数的比值 m=Q/r。 对于石英谐振器，M 的值位于 1 到 10000 的范围内。在 M<2 时，谐振器的电抗结果为正（电容性）并且没有感应反应区域。 因此，在需要感应反应的石英振荡器电路中激发这种谐振器变得不可能。 当M>2时，谐振器有一个感应反应区域，M值越大，这个区域越宽。 在实践中，最广泛使用的石英振荡器有两种： a) 石英谐振器是振荡电路的一部分并等效于电感的发生器； b) 反馈电路中包含石英谐振器的发生器，用作窄带滤波器，相当于有源电阻。 将石英谐振器用作具有感应反应的电路的元件的晶体振荡器称为振荡器，将石英谐振器包含在反馈电路中的振荡器称为串联谐振发生器。 根据发射极接地（电容式三点）电路制作的集电极和基极之间有石英的石英振荡器的振荡电路如图2所示。
目前，电容式三点在谐振器工作在基频时最高可达22 MHz的频率范围内被广泛使用，在三次机械谐波下激励时最高可达66 MHz（图3）。 在具有高频接地发射极的电路中，在集电极和基极之间带有石英谐振器的自振荡器不易在非谐波泛音上产生寄生振荡，具有出色的频率稳定性，可随电源电压和环境温度的变化而变化。
晶体管电抗参数变化的影响取决于电源电压和时间，随着电容 C1、C3（图 2）的增加而减弱，即随着振荡器的工作频率接近 Fg。 然而，电容的过度增加导致自激条件的恶化。 另一方面，随着电容的增加，谐振器中消耗的功率增加，这导致产生频率的不稳定性增加。 根据规范，石英的耗散功率限制在 1 ... 2 mW。 然而，在具有这种耗散功率的 1 ... 22 MHz 频率范围内，串联谐振频率取决于耗散功率，比例因子为 (0,5 ... 2) • 10-9 Hz / μW，因此，对于高度稳定的发电机，谐振器的耗散功率应限制在 0,1 ... 0,2 mW。 在实践中，建议选择电容 C1、C3，使产生频率不超过 Fs 谐振间隔的四分之一。 当石英谐振器以石英的奇次机械谐波激励时，代替电阻器 R3，电感器 Lk 被接通（图 3）。 在生成频率下，Lk-C4 电路必须有一个电容，即它的谐振频率必须低于产生频率。 应选择电路参数，使其固有频率为发电频率的 0,7 ... 0,8。 因此，电路在所需谐波的频率处具有电容传导，从而消除了在较低谐波和基频处产生的可能性。 在频率高于 22 MHz 的振荡器发生器中，谐振器通常在 3 次或 5 次谐波处被激发，但不会在更高的谐波处被激发，因为并联电容的影响很大。 与图 2 相比，石英振荡器的电容式三点电路在集电极和基极之间具有石英谐振器的情况更常用于接通具有接地集电极的晶体管的电路（图 4）。 该电路对于电子可调振荡器（与变容石英串联时）特别有用，并且比接地发射器电路具有更少的阻塞元件。 晶体振荡器领域的许多专家认为电容式三点是所有晶体振荡器电路中最好的，它以谐振器的基频或第三机械谐波工作。 需要注意的是，有一个电容三点电路不包含电感，它在 3 次和 3 次谐波处被激发。
电路中带有石英的自动振荡器。 如果电感 L4 在图 1 的电路中与石英串联，这将导致新特性的出现，即在发生器中（图 5），可能会发生自激振荡，而石英谐振器无法对其进行稳定。
在高频下，谐振器并联电容的电抗小于石英谐振器动态支路的电抗，可能会通过并联电容 Cp 自激。 电感 L1 的存在意味着在串联谐振频率下以及在低于串联谐振频率的特定失谐区域中执行相位平衡的可能性。 电感L1保证了在M<2条件下实现相位平衡，石英的等效电抗不能感性。 这意味着电路中带有石英的振荡器可以在石英谐振器的更高频率和更高数量的机械谐波下工作。 为了通过并联电容 Cp 排除寄生自激，这很可能在高频和更高的机械谐波下，电阻器 R1 与谐振器并联，这会在寄生自激电路中引入损耗。 通过使用串联谐振发生器电路，可以降低对石英谐振器在机械谐波处的活动的要求。 由于随着频率和谐波数的增加，石英谐振器的活动由于其等效电阻的增加和静态（并联）电容Ср的分流效应的增加而降低，因此需要中和或补偿它。 中和可以在电桥电路中进行，其中石英放置在平衡电桥的一个臂中。 串联谐振的桥式自振荡器。 在图 6 所示的电路中，由于电桥的精确平衡（Cp=C2，XL1-2=XL2-3），反馈仅通过谐振器的动态支路进行。 在石英谐振器的机械谐波上，谐振器的串联分支的电导率急剧增加，桥是不平衡的，并且有了适当的电路元件选择，发电机就会激发。 L1-C3 环路必须调谐到所需的谐波频率。
在该方案中，可以在 5 次或 7 次谐波处激励石英谐振器。 中和谐振器静态电容的方案对工作模式非常关键且难以调整，尽管它们可以在高达 100 MHz 的频率下使用。 具有中和功能的振荡器的频率上限是由于随着频率的增加难以获得大的等效环路电阻，因为由于寄生电容，环路的初始电容不能变小。 Butler 方案（图 7）的特点是在高达 100 MHz 的范围内对不稳定因素的抵抗力最强。 产生频率的上限是由于射极跟随器特性的劣化。 在巴特勒电路中，石英谐振器包含在晶体管发射极之间的反馈电路中。 晶体管 VT1 根据方案与公共集电极相连，晶体管 VT2 - 与公共基极相连。 该电路的缺点是由于输出与输入通过并联石英电容 Cp 连接，容易产生寄生自激。 为了消除这种现象，一个电感器与石英并联，与石英的并联电容一起形成一个调谐到寄生振荡频率的谐振电路。
根据 Butler 方案在一个晶体管上的自振荡器，具有补偿 Avg。 在频率高达 300 MHz 时，建议使用单级滤波器电路，例如共基滤波器电路（图 8）。 从本质上讲，这种振荡器是一个单级放大器，其中电路通过石英谐振器连接到双极晶体管的发射极，起到窄带滤波器的作用。 由并联石英电容 Cp 和线圈 L2 形成的电路被调谐到所用谐波的频率。 随着工作频率的增加，晶体管的等效电导率增加，即自激条件的满足变差。 然而，尽管如此，这种振荡器在高频下自激的条件比集电极和基极之间有石英的振荡器和电路中有石英的振荡器更容易满足，这决定了它的优势。
总之，应该注意的是，所考虑的石英振荡器电路并没有穷尽由石英谐振器稳定的振荡器电路的全部种类，电路的选择受到具有必要等效参数的石英谐振器的存在的决定性影响，对输出功率、谐振器中耗散的功率、长期稳定频率等的要求。 一点关于谐振器。 在为发电机选择谐振器时，应特别注意谐振器的品质因数——它越高，频率越稳定。 真空谐振器具有最高的品质因数。 但是谐振器越好，它就越贵。 通常存在具有高水平侧共振的谐振器。 在苏联，除了石英谐振器外，谐振器还由铌酸锂（标记为 RN 或 RM）、钽酸锂（标记为 RT）和其他压电材料制成。 由于此类谐振器的等效参数与石英谐振器的等效参数不同，因此它们可能无法在石英完美工作的电路中驱动，尽管外壳上标记的频率可能相同。 它们可能具有更差的频率稳定性和调谐精度。 苏联的企业通常生产基本频率高达 20 ... 22 MHz 和更高机械谐波的石英谐振器。 这是由于石英板的加工工艺落后。 国外企业生产基频为35MHz的石英。 国外领先的公司生产所谓的逆台面结构形式的谐振器，以体积厚度剪切振动工作，其中一次谐波频率达到 250 MHz！ 在振荡器电路中使用这种石英谐振器，其中具有分布电感和电容参数的系统用作振荡系统，无需倍频即可获得高达 750 MHz 频率的高度稳定振荡！ 作者：切尔卡瑟地区瓦图蒂诺的 O. Belousov； 出版：N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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