RU2523945C1 - Quartz oscillator - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: quartz oscillator includes a quartz resonator, the first output of which is connected to the input of an inverting amplifier and through the first resistor to its output, the second output of the quartz resonator is connected through the first capacitor to the input of the second amplifier, which is non-inverting, the output of which is the device output, a phase corrector, the input and the output of which are connected to the output of the non-inverting amplifier and the second output of the quartz resonator respectively, and the input of the non-inverting amplifier is connected to the output of the inverting amplifier through the second resistor or through the second resistor and the second capacitor.

EFFECT: increasing oscillation frequency stability.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для генерации электрических сигналов, стабилизированных электромеханическими резонаторами, в частности в пьезорезонансных датчиках.The invention relates to the field of electronic technology and can be used to generate electrical signals stabilized by electromechanical resonators, in particular in piezoresonance sensors.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является кварцевый генератор (см. патент РФ №2301491 от 30.11.2005, опубликован 20.06.2007, БИ №17), содержащий кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен со входом инвертирующего усилителя и через первый резистор с его выходом, второй вывод кварцевого резонатора соединен через первый конденсатор со входом второго усилителя.The closest in technical essence to the claimed device is a crystal oscillator (see RF patent No. 2301491 dated November 30, 2005, published June 20, 2007, BI No. 17), containing a crystal oscillator, the first output of which is connected to the input of the inverting amplifier and through the first resistor with its output, the second output of the quartz resonator is connected through the first capacitor to the input of the second amplifier.

Указанное выше устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому и поэтому выбрано в качестве прототипа.The above device is the closest in technical essence to the claimed and therefore selected as a prototype.

Недостатком прототипа является изменение частоты генератора из-за изменения фазового сдвига, обусловленного изменением формы выходных сигналов вследствие изменения режима работы оконечного каскада усилителя под действием внешних факторов эксплуатации (изменение напряжения питания, температуры окружающей среды, хранения и проч.) и присутствия в спектре сигнала, подаваемого на кварцевый резонатор, высших гармоник.The disadvantage of the prototype is a change in the frequency of the generator due to a change in the phase shift due to a change in the shape of the output signals due to a change in the operating mode of the amplifier end stage under the influence of external operating factors (change in supply voltage, ambient temperature, storage, etc.) and the presence in the signal spectrum, fed to a quartz resonator, higher harmonics.

Решаемой задачей является создание генератора с кварцевым резонатором с повышенной стабильностью частоты генерации (при значении эквивалентного сопротивления резонатора до 1 МОм).The problem to be solved is the creation of a generator with a quartz resonator with increased stability of the generation frequency (with a value of the equivalent resonator resistance of up to 1 MΩ).

Достигаемым техническим результатом является стабилизация формы и амплитуды выходных сигналов в изменяющихся условиях эксплуатации и, соответственно, повышение стабильности частоты генерации.Achievable technical result is the stabilization of the shape and amplitude of the output signals in changing operating conditions and, accordingly, increasing the stability of the generation frequency.

Для достижения технического результата в генераторе, содержащем кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен со входом инвертирующего усилителя и через первый резистор с его выходом, второй вывод кварцевого резонатора соединен через первый конденсатор со входом второго усилителя, новым является то, что второй усилитель выполнен неинвертирующим, выход которого является выходом устройства, дополнительно введен фазовый корректор, вход и выход которого соединены с выходом неинвертирующего усилителя и вторым выводом кварцевого резонатора соответственно, а вход неинвертирующего усилителя соединен с выходом инвертирующего усилителя через второй резистор или через второй резистор и второй конденсатор.To achieve a technical result in a generator containing a quartz resonator, the first output of which is connected to the input of the inverting amplifier and through the first resistor to its output, the second output of the quartz resonator is connected through the first capacitor to the input of the second amplifier, it is new that the second amplifier is non-inverting, the output of which is the output of the device, an additional phase corrector is introduced, the input and output of which is connected to the output of the non-inverting amplifier and the second output of the quartz crystal zoning, respectively, and the input of the non-inverting amplifier is connected to the output of the inverting amplifier through a second resistor or through a second resistor and a second capacitor.

Стабилизация частоты в предлагаемом генераторе достигается при помощи введения в контур положительной обратной связи генератора фазового корректора, с помощью которого производится подавление высших гармоник в спектре сигнала, подаваемого на кварцевый резонатор.Frequency stabilization in the proposed generator is achieved by introducing a phase corrector into the positive feedback loop of the generator, which suppresses higher harmonics in the spectrum of the signal supplied to the quartz resonator.

На фигуре 1 изображена функциональная схема заявляемого генератора. На фигуре 2 представлена эквивалентная схема кварцевого резонатора.The figure 1 shows a functional diagram of the inventive generator. The figure 2 presents the equivalent circuit of a quartz resonator.

Кварцевый генератор содержит кварцевый резонатор 1, первый вывод которого соединен со входом инвертирующего усилителя 2 и через первый резистор 3 с его выходом, второй вывод кварцевого резонатора соединен через первый конденсатор 4 со входом второго усилителя 5, который выполнен неинвертирующим, выход которого является выходом устройства. Введен фазовый корректор 6, вход и выход которого соединены с выходом неинвертирующего усилителя 5 и вторым выводом кварцевого резонатора 1 соответственно, а вход неинвертирующего усилителя 5 соединен с выходом инвертирующего усилителя 2 через второй резистор 7 или через второй резистор 7 и второй конденсатор 8.The quartz oscillator contains a quartz resonator 1, the first output of which is connected to the input of the inverting amplifier 2 and through the first resistor 3 with its output, the second output of the quartz resonator is connected through the first capacitor 4 to the input of the second amplifier 5, which is non-inverting, the output of which is the output of the device. A phase corrector 6 is introduced, the input and output of which is connected to the output of the non-inverting amplifier 5 and the second output of the quartz resonator 1, respectively, and the input of the non-inverting amplifier 5 is connected to the output of the inverting amplifier 2 through the second resistor 7 or through the second resistor 7 and the second capacitor 8.

Устройство работает следующим образом. Кварцевый резонатор 1, конденсатор 4, резистор 7 и инвертирующий усилитель 2, охваченный отрицательной обратной связью между выходом и входом через резистор 3, образуют мост с тремя пассивными и одним активным плечами. Параметры плеч указанного выше моста должны выбираться исходя из следующего соотношения:The device operates as follows. A quartz resonator 1, a capacitor 4, a resistor 7, and an inverting amplifier 2, covered by negative feedback between the output and the input through the resistor 3, form a bridge with three passive and one active shoulders. The shoulder parameters of the above bridge should be selected based on the following ratio:

$$\frac{C_1}{C_0}=\frac{R_1}{R_2},\text{(1)}$$

$$\frac{C_{\mathrm{one}}}{C_0}=\frac{R_{\mathrm{one}}}{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="R"\; filenames="00000010.png"\; state="\{\{state\}\}">R</figure-callout>}}_2},\text{(one)}$$

R₁=(0,5÷1,0)·R_K, (2)R ₁ = (0.5 ÷ 1.0) R _K , (2)

где С₁ - значение емкости первого конденсатора 4 (см. фиг.1);where C ₁ is the value of the capacitance of the first capacitor 4 (see figure 1);

С₀ - значение статической емкости кварцевого резонатора 1 (см. фиг.2);With ₀ - the value of the static capacitance of the quartz resonator 1 (see figure 2);

R₁, R₂ - значение сопротивлений резисторов 3 и 7 соответственно;R ₁ , R ₂ - the value of the resistances of the resistors 3 and 7, respectively;

R_K - активное эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора 5 (см. фиг.3).R _K is the active equivalent resistance of the quartz resonator 5 (see figure 3).

При этом коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя 2 должен быть много больше 1. В этом случае значение входного сопротивления инвертирующего усилителя 2, охваченного отрицательной обратной связью через резистор 3 (R₁) будет определяться отношением значения его сопротивления к значению коэффициента усиления по напряжению усилителя 2 и с учетом условия (2), ток протекающий по резистору 3, будет близким к значению тока кварцевого резонатора 1 I_ZQ, определяемому суммой двух составляющих:In this case, the voltage gain of the inverting amplifier 2 should be much greater than 1. In this case, the input resistance value of the inverting amplifier 2 covered by negative feedback through the resistor 3 (R ₁ ) will be determined by the ratio of its resistance to the value of the voltage gain of the amplifier 2 and taking into account condition (2), the current flowing through the resistor 3 will be close to the value of the current of the quartz resonator 1 I _ZQ , determined by the sum of two components:

$$I_{ZQ}=\frac{U_{ZQ}}{Z_K}+j\omega C_0{U}_{ZQ};{\text{ Z}}_{\text{K}}=R_K+j\omega L_K+\frac{1}{j\omega C_K},$$

$$I_{ZQ}=\frac{U_{ZQ}}{Z_K}+j\omega C_0{U}_{ZQ};{\text{Z}}_{\text{K}}=R_K+j\omega L_K+\frac{\mathrm{one}}{j\omega C_K},$$

где U_ZQ - переменное напряжение, приложенное к кварцевому резонатору 1 (ZQ);where U _ZQ is the alternating voltage applied to the quartz resonator 1 (ZQ);

Z_K - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 1 (ZQ);Z _K - the impedance of the resonant branch of the quartz resonator 1 (ZQ);

R_K, L_K, С_K - эквивалентные параметры кварцевого резонатора 1 (см. фиг.2).R _K , L _K , C _K are the equivalent parameters of quartz resonator 1 (see figure 2).

Составляющая тока кварцевого резонатора 1, обусловленная его статической емкостью С₀, уменьшает реальную добротность и крутизну фазочастотной характеристики резонатора и, соответственно, ухудшает стабильность частоты генератора. Наиболее сильное негативное влияние емкостного тока кварцевого резонатора на стабильность частоты генератора проявляется в случаях, когда составляющие емкостного тока - ωC₀U_ZQ и резонансного тока - $$\frac{U_{ZQ}}{R_K}$$

имеют соизмеримые значения. The current component of the quartz resonator 1, due to its static capacitance C ₀ , reduces the real quality factor and the steepness of the phase-frequency characteristic of the resonator and, accordingly, affects the frequency stability of the generator. The strongest negative effect of the capacitive current of a quartz resonator on the frequency stability of the generator is manifested in cases where the components of the capacitive current are ωC ₀ U _ZQ and the resonant current is $$\frac{U_{ZQ}}{R_K}$$

have commensurate meanings.

Напряжение на выходе инвертирующего усилителя 2, обусловленное током кварцевого резонатора 1, равно произведению значения сопротивления резистора 3 (R1) обратной связи на значение входного тока, равного I_ZQ (свойство инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления К>>1 с отрицательной обратной связью):The voltage at the output of the inverting amplifier 2, due to the current of the quartz resonator 1, is equal to the product of the resistance value of the feedback resistor 3 (R1) by the value of the input current equal to I _ZQ (property of an inverting amplifier with a gain coefficient K >> 1 with negative feedback):

$$U_{вых2}=-I_{ZQ}\cdot R_1=-U_{ZQ}\cdot \left(\frac{1}{Z_K}+j\omega C_0\right)\cdot R_1.\text{(3)}$$

$$U_{\mathrm{at}sx2}=-I_{ZQ}\cdot R_{\mathrm{one}}=-U_{ZQ}\cdot \left(\frac{\mathrm{one}}{Z_K}+j\omega C_0\right)\cdot R_{\mathrm{one}}.\text{(3)}$$

Знак "минус" в выражении (3) определяет инверсию усиливаемого сигнала. Компенсация составляющей тока статической емкости кварцевого резонатора 1 аналогична прототипу и осуществляется за счет емкостного тока конденсатора 4 (С₁), который, протекая по резистору 7 (R₂), создает на нем падение компенсирующего напряжения U_K, равное:The minus sign in expression (3) determines the inversion of the amplified signal. Compensation of the current component of the static capacitance of the quartz resonator 1 is similar to the prototype and is carried out due to the capacitive current of the capacitor 4 (C ₁ ), which, flowing through the resistor 7 (R ₂ ), creates a drop in the compensating voltage U _K equal to:

U_K≈jωU_ZQC₁R₂. (4)U _K ≈jωU _ZQ C ₁ R ₂ . (four)

Напряжение на входе неинвертирующего усилителя 5 U_вх1 равно геометрической (векторной) сумме выходного напряжения инвертирующего усилителя 2 и напряжения, сформированного на резисторе 7 (R₂) за счет протекания емкостного тока, задаваемого конденсатором 4(С₁)-U_K:The voltage at the input of a non-inverting amplifier 5 U _in1 is equal to the geometric (vector) sum of the output voltage of the inverting amplifier 2 and the voltage generated on the resistor 7 (R ₂ ) due to the flow of the capacitive current specified by the capacitor 4 (C ₁ ) -U _K :

$$U_{вх1}\approx U_{вых2}+U_K\approx -U_{ZQ}\left(\frac{R_1}{Z_K}+j\omega C_0{R}_1-j\omega C_1{R}_2\right).\text{ (5)}$$

$$U_{\mathrm{at}x\mathrm{one}}\approx U_{\mathrm{at}sx2}+U_K\approx -U_{ZQ}\left(\frac{R_{\mathrm{one}}}{Z_K}+j\omega C_0{R}_{\mathrm{one}}-j\omega C_{\mathrm{one}}{R}_2\right).\text{(5)}$$

При выполнении условия (1) составляющие напряжения, определяемые токами статической емкости кварцевого резонатора 1 и конденсатора 4, нейтрализуют друг друга, и входное напряжение усилителя 1 будет равно:When condition (1) is fulfilled, the voltage components determined by the currents of the static capacitance of the quartz resonator 1 and the capacitor 4 neutralize each other, and the input voltage of the amplifier 1 will be equal to:

$$U_{вх1}\approx -U_{ZQ}\cdot \frac{R_1}{Z_K}.\text{ (6)}$$

$$U_{\mathrm{at}x\mathrm{one}}\approx -U_{ZQ}\cdot \frac{R_{\mathrm{one}}}{Z_K}.\text{(6)}$$

Коэффициент передачи участка "второй вывод кварцевого резонатора 1 - вход неинвертирующего усилителя 5" равен:The transfer coefficient of the plot "the second output of the quartz resonator 1 - input non-inverting amplifier 5" is equal to:

$$K_1=\frac{U_{ZQ}}{U_{вх1}}=\frac{R_1}{Z_K}.$$

$$K_{\mathrm{one}}=\frac{U_{ZQ}}{U_{\mathrm{at}x\mathrm{one}}}=\frac{R_{\mathrm{one}}}{Z_K}.$$

Коэффициент передачи К₁ будет иметь максимальное и действительное значение на частоте, равной резонансной частоте кварцевого резонатора 1, для которой Z_K=R_K:The transmission coefficient K ₁ will have a maximum and real value at a frequency equal to the resonant frequency of the quartz resonator 1, for which Z _K = R _K :

$$K_{1\max }=\frac{R_1}{R_K}.\text{ (7)}$$

$$K_{\mathrm{one}\max }=\frac{R_{\mathrm{one}}}{R_K}.\text{(7)}$$

При выполнении условия (2) коэффициент передачи K_1max будет иметь значение, равное - (0,5÷1,0). Для обеспечения устойчивой работы генератора необходимо выполнение двух условий:When condition (2) is fulfilled, the transmission coefficient K _1max will have a value equal to - (0.5 ÷ 1.0). To ensure stable operation of the generator, two conditions must be met:

- условие баланса амплитуд, при котором коэффициент передачи неискаженного сигнала в контуре положительной обратной связи K_Σ генератора должен быть больше 1;- the condition of the balance of amplitudes, in which the transmission coefficient of the undistorted signal in the positive feedback loop K _{Σ of the} generator should be greater than 1;

- условие баланса фаз, при котором:- condition for phase balance, in which:

$$\begin{array}{l}{K}_{\Sigma }=K_1\cdot K_2\cdot \dots \cdot K_m\ge 1\\ {\displaystyle \sum _{i=1}^m{\varphi }_i=2\pi n}\end{array}\},\text{ (8)}$$

$$\begin{array}{l}{K}_{\Sigma }=K_{\mathrm{one}}\cdot {\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="K"\; filenames="00000010.png"\; state="\{\{state\}\}">K</figure-callout>}}_2\cdot ...\cdot K_m\ge \mathrm{one}\\ {\displaystyle \sum _{i=\mathrm{one}}^m{\varphi }_i=2\pi n}\end{array}\},\text{(8)}$$

где K_Σ - суммарный коэффициент передачи;where K _Σ is the total transmission coefficient;

К₁, К₂ … К_m - коэффициенты передачи звеньев в контуре положительной обратной связи, соответственно;To ₁ , To ₂ ... To _m - the transmission ratios of the links in the positive feedback loop, respectively;

φ_i - фазовый сдвиг, вносимый i-м звеном в контуре обратной связи на частоте генерации;φ _i is the phase shift introduced by the ith link in the feedback loop at the generation frequency;

n - натуральное число, включая 0.n is a natural number, including 0.

В предлагаемом кварцевом генераторе условно можно выделить три звена, определяющих суммарный коэффициент передачи К_Σ и условие баланса фаз.In the proposed crystal oscillator, it is conditionally possible to distinguish three links that determine the total transfer coefficient K _Σ and the phase balance condition.

Первое звено располагается между вторым выводом кварцевого резонатора 1 и входом неинвертирующего усилителя 5. Его коэффициент передачи на резонансной частоте кварцевого резонатора 1 определяется выражением (7) со значением 0,5÷1,0. Фазовый сдвиг φ₁ близок к значению, равному π (180°).The first link is located between the second output of the quartz resonator 1 and the input of the non-inverting amplifier 5. Its transmission coefficient at the resonant frequency of the quartz resonator 1 is determined by expression (7) with a value of 0.5 ÷ 1.0. The phase shift φ ₁ is close to π (180 °).

Вторым звеном является неинвертирующий усилитель 5, его коэффициент передачи зависит от выбранного схемотехнического варианта. Фазовый сдвиг φ₂ неинвертирующего усилителя 5 приблизительно равен нулю (0°).The second link is a non-inverting amplifier 5, its transmission coefficient depends on the selected circuitry option. The phase shift φ _{2 of the} non-inverting amplifier 5 is approximately zero (0 °).

Третьим звеном является фазовый корректор 6, при помощи которого в контуре положительной обратной связи достигается фазовый сдвиг для обеспечения условия (8). Фазовый корректор 6 может быть выполнен с использованием нескольких звеньев интегрирующих RC-цепочек, что позволяет точно приблизить частоту автогенерации к резонансной частоте кварцевого резонатора 1 и подавить высшие гармоники в спектре сигнала, подаваемого на кварцевый резонатор 1, и обеспечить работоспособность на его основной резонансной частоте.The third link is the phase corrector 6, by which a phase shift is achieved in the positive feedback loop to ensure condition (8). Phase corrector 6 can be performed using several links of integrating RC chains, which makes it possible to accurately approximate the self-oscillation frequency to the resonant frequency of quartz resonator 1 and suppress higher harmonics in the spectrum of the signal supplied to quartz resonator 1, and ensure operability at its main resonant frequency.

Согласно предлагаемому изобретению изготовлены макетные образцы генераторов, испытания которых подтвердили их работоспособность и эффективность.According to the invention, prototype generators were manufactured, tests of which confirmed their operability and effectiveness.

Claims (1)

Кварцевый генератор, содержащий кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен со входом инвертирующего усилителя и через первый резистор с его выходом, второй вывод кварцевого резонатора соединен через первый конденсатор со входом второго усилителя, отличающийся тем, что второй усилитель выполнен неинвертирующим, выход которого является выходом устройства, дополнительно введен фазовый корректор, вход и выход которого соединены с выходом неинвертирующего усилителя и вторым выводом кварцевого резонатора соответственно, а вход неинвертирующего усилителя соединен с выходом инвертирующего усилителя через второй резистор или через второй резистор и второй конденсатор. A quartz oscillator containing a quartz resonator, the first output of which is connected to the input of the inverting amplifier and through the first resistor to its output, the second output of the quartz resonator is connected through the first capacitor to the input of the second amplifier, characterized in that the second amplifier is non-inverting, the output of which is the output of the device , an additional phase corrector is introduced, the input and output of which is connected to the output of the non-inverting amplifier and the second output of the quartz resonator, respectively, and the input a non-inverting amplifier is connected to the output of the inverting amplifier through a second resistor or through a second resistor and a second capacitor.

Images