Рис. 6.4. Примеры параллельной схемной термокомпенсации.

На этой схеме: C~ - переменная часть ёмкости конденсатора настройки СМАКС – СМИН ; С0 = СМИН + СМ + СL; СК – ёмкость конденсатора термокомпенсации. При большом коэффициенте перекрытия диапазона, когда , рационально точку полной компенсации выбрать при fМАКС. Тогда в схеме рис. 8-13, б полагается C~ = 0 и расчёт производится по формулам:

, где C = C0 + CК – заданная суммарная ёмкость контура; αL – положительный ТКИ (должен быть измерен или взят приблизительно 20÷50∙10-6); αC – отрицательный ТКЕ. В результате такой компенсации получается, что в диапазоне частот контур будет иметь ТКЧ от α = 0 при fМАКС до при fМИН. Т.е. во всех точках диапазона, кроме fМАКС, будет иметь место недокомпенсация (отрицательный ТКЧ).

Если kД < 1,5, то значительно лучшие результаты по термокомпенсации в диапазоне частот можно получить, если принять так называемую “оптимальную термокомпенсацию”, сущность которой заключается в том, что при fМАКС делают перекомпенсацию (ТКЧ положительный), а при fМИН – недокомпенсацию (ТКЧ отрицательный), причём абсолютные значения ТКС при fМАКС и fМИН должны быть равны (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Подбор ёмкости.

В результате точка полной компенсации α = 0 будет лежать в промежутке между fМИН и fМАКС, а ТКЧ на концах диапазона будет найден из выражения:

.

Для получения оптимальной компенсации в схеме рис. 6.4 необходимо, чтобы температурный коэффициент всей минимальной ёмкости контура CМИН = СК + C0 был:

.

Рассмотренные меры стабилизации частоты не позволяют, однако, получить нестабильность лучше, чем ΔfГ / fГ ≈ 10-4. При необходимости получения более высокой стабильности вместо контуров LC в гетеродине используются кварцевые резонаторы. Кварцевые резонаторы наиболее полно отвечают требованиям стабилизации частоты гетеродина. Они обладают высокой фиксирующей способностью из-за весьма больших добротностей. Их добротность в сотни тысяч раз может превышать добротность контуров LC. При уменьшении температурной нестабильности кварца путём выбора среза, вида и вакуумной герметизации можно получить хорошую эталонность.

Применение таких резонаторов позволяет довести нестабильность частоты до ΔfГ / fГ = (1÷5)∙10-6÷10-7.

Заключение гетеродина в термостат (современные термостаты обеспечивают поддержание температуры внутри своего объёма с точностью до десятых долей градуса) и другие меры стабилизации обеспечивают нестабильность кварцевых гетеродинов в интервале 10-7-10-8.

2. Кварцевая стабилизация частоты

Наиболее эффективной мерой повышения устойчивости частоты автогенераторов является кварцевая стабилизация - используют пьезоэлектрический резонатор, представляющий собой кварцевую пластину с нанесёнными на её поверхность электродами. Если кварцевую пластинку сжать или растянуть, то на её противоположных гранях появляются равные по величине, но разные по знаку электрические заряды. Величина их пропорциональна давлению, а знаки зависят от направления силы давления. Это явление носит название прямого пьезоэлектрического эффекта. Если же к граням пластинки кварца приложить электрическое напряжение, то пластинка будет сжиматься или растягиваться в зависимости от полярности приложенного напряжения. Это явление называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Ценным свойством кварца является очень высокая стабильность частоты механических колебаний, которая определяется геометрическими размерами кварцевой пластинки и направлением деформации.

Для возбуждения механических колебаний к электродам резонатора подводят переменное напряжение. Пьезоэлемент начинает колебаться синхронно с приложенным напряжением. При совпадении частоты подводимого напряжения с собственной частотой колебания пьезоэлемента возникает механический резонанс. Кварцевый резонатор становится эквивалентен последовательному колебательному контуру с собственной частотой кварца: , где LКВ – эквивалентная индуктивность кварца (от десятых долей до десятков миллигенри), CКВ – эквивалентная ёмкость кварца (десятые или сотые доли пикофарады). Собственная частота колебаний кварца зависит от среза и геометрических размеров пластины. Для различных срезов значение собственной частоты ƒКВ кварца (МГц) колеблется от 1,6/δ до 3,6/δ, где δ – толщина пластины, мм. Добротность резонатора определяется как отношение энергии, запасённой колебательной системой, к энергии потерь за период колебаний. Добротность серийных резонаторов на основной частоте несколько десятков тысяч, а прецизионных – несколько миллионов.

Для кварцевых резонаторов характерен эффект старения, т.е. необратимого изменения частоты в течение нескольких первых месяцев работы. Поэтому основным параметром, характеризующим работу кварцевого автогенератора, является стабильность частоты колебаний. Кроме того, на стабильность частоты влияют ударные и вибрационные нагрузки, влажность, температура, изменение напряжения питания и непостоянство нагрузки. Поэтому современный кварцевый автогенератор помимо активного элемента (транзистора, туннельного диода), кварцевого резонатора и элементов схемы автогенератора должен содержать: буферный каскад с высоким RВХ, обеспечивающий слабую связь автогенератора с нагрузкой и исключающий влияние нагрузки на его работу; систему амортизации для ослабления вибрационных и ударных нагрузок; устройство защиты от воздействия влаги; стабилизированный источник питания; систему термостатирования или термокомпенсации, стабилизирующую влияние частотно-температурных характеристик кварцевых резонаторов. В настоящее время применяют автогенераторы, в которых кварц используют как резистор либо как последовательный контур.

Рис. 6.6. Эквивалентная схема автогенератора с кварцем в цепи обратной связи.

Рассмотрим схему автогенератора, в которой кварцевый резонатор используют в качестве последовательного контура. Транзисторный автогенератор с кварцевым резонатором собран по трёхточечной схеме (рис. 6.6). В цепь обратной связи включён делитель, состоящий из кварцевого резонатора с полным сопротивлением ZQ1 и резонатора R1. Колебательная система выполнена из двух контуров: нагрузки коллектора Z1, Z2 и Z3 и цепи обратной связи R1, ZQ1 и Z2. Работа схемы основана на том, что сопротивление резонатора ZQ1 минимально на частоте последовательного резонанса ωКВ и резко увеличивается при отклонении от неё. В результате этого самовозбуждение возможно только в узкой области частот. При правильном выборе параметров добротность контура цепи обратной связи близка добротности кварцевого резонатора и значительно выше добротности коллекторного контура. Добротность колебательного контура - характеристика резонансных свойств системы, показывающая, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду при его отсутствии. Чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии в ней за период. Добротность колебательного контура: