Михаил Адаменко - Шпионские штучки, или Секреты тайной радиосвязи
Кварцевый резонатор в ВЧЧгенераторе
Кварцевый резонатор в настоящее время является неотъемлемой частью многих схемотехнических решений высокочастотных генераторов миниатюрных радиопередатчиков и радиомикрофонов. Использование кварцевых резонаторов обусловлено, в первую очередь, повышением требований к стабильности несущей частоты формируемого ВЧ-генератором сигнала и, соответственно, частоты сигнала, излучаемого передающим устройством.
Прежде чем перейти к рассмотрению схемотехнических решений кварцевых генераторов высокочастотного сигнала несущей частоты, применяемых в малогабаритных транзисторных радиопередающих устройствах, следует вспомнить основополагающие принципы функционирования кварцевого резонатора.
Конструктивно кварцевый резонатор представляет собой обработанную соответствующим образом пластину кварца, механически закрепленную в специальном держателе. Главной отличительной особенностью такой кварцевой пластины являются ее пьезоэлектрические свойства, проявляющиеся в ее механической деформации под воздействием электрического поля. Этот эффект, часто называемый обратным пьезоэлектрическим эффектом, обеспечивает возникновение механических колебаний кварцевой пластины в том случае, если она будет помещена в переменное электрическое поле. При этом частота возникших механических колебаний равна частоте колебаний электрического поля. Механические колебания, в свою очередь, вызывают появление на поверхности кварцевой пластины изменяющегося соответствующим образом электрического заряда, который инициирует появление в цепи переменного тока (прямой пьезоэлектрический эффект). Величина этого тока зависит от амплитуды механических колебаний кварцевой пластины.
При приближении частоты колебаний внешнего электрического поля к собственной резонансной частоте механических колебаний кварцевой пластины амплитуда механических деформаций резко возрастает, а при совпадении этих частот становится максимальной. Максимумы амплитуды могут возникать и в том случае, когда частота колебаний внешнего электрического поля будет кратной частоте механического резонанса.
Подробное рассмотрение конструктивных особенностей, механических свойств и электрических параметров кварцевых резонаторов выходит за рамки данной книги. Дополнительную информацию заинтересованный читатель найдет в специализированной литературе и в сети Интернет. Поэтому далее приводится весьма краткая информация, касающаяся особенностей функционирования кварцевых резонаторов в транзисторных ВЧ-генераторах миниатюрных радиопередатчиков.
Кварцевый резонатор, включенный в электрическую цепь, можно представить в виде последовательного колебательного контура, в состав которого входят эквивалентная индуктивность пластины LЭКВ, ее эквивалентная емкость СЭКВ, а также сопротивление потерь RЭКВ. Эта цепочка образует так называемую динамическую ветвь. Поскольку кварцевая пластина установлена в специальном держателе, обладающем определенной статической емкостью С0, в состав эквивалентной схемы параллельно последовательному контуру следует включить и эту емкость, которая образует так называемую статическую ветвь. Эквивалентная схема кварцевого резонатора приведена на рис. 3.12.
Рис. 3.12. Эквивалентная схема кварцевого резонатора
Эквивалентная схема кварцевого резонатора определяет наличие двух резонансных частот. Первая из них представляет собой резонансную частоту последовательного колебательного контура (частота последовательного резонанса), значение которой рассчитывается на основании параметров входящих в его состав элементов и практически совпадает с частотой механического резонанса пластины. Наличие емкости, подключенной параллельно динамической ветви, приводит к появлению резонансной частоты параллельного колебательного контура (частота параллельного резонанса), которая выше частоты последовательного резонанса.
На частотах ниже частоты последовательного резонанса сопротивление контура имеет емкостной характер, поскольку ток контура опережает напряжение. Непосредственно на частоте последовательного резонанса сопротивление контура минимально, а ток и напряжение совпадают по фазе. На частотах, находящихся между частотами последовательного и параллельного резонансов, сопротивление эквивалентного контура имеет индуктивный характер. В результате в параллельном контуре, образованном этой индуктивностью и емкостью статической ветви, возникает параллельный резонанс на соответствующей частоте. При этом общее сопротивление контура максимально, а ток и напряжение совпадают по фазе.
На основании рассмотренных особенностей эквивалентной схемы кварцевого резонатора можно сделать вывод о том, что возможны несколько вариантов его применения в транзисторных ВЧ-генераторах малогабаритных радиопередающих устройств.
Во-первых, схемотехническое решение высокочастотного генератора может быть основано на использовании кварцевого резонатора в качестве элемента с индуктивным сопротивлением в составе резонансного контура. Обычно в таких генераторах, выполненных по трехточечной схеме и часто называемых осцилляторными, кварцевый резонатор применяется в качестве одного из реактивных сопротивлений трехточки. При этом в емкостной трехточке кварцевый резонатор включается между коллектором и базой транзистора, а в индуктивной трехточке – либо между эмиттером и базой, либо между эмиттером и коллектором транзистора активного элемента.
Во-вторых, схемотехническое решение высокочастотного генератора может быть основано на использовании кварцевого резонатора в качестве последовательного резонансного контура. В таких генераторах, часто называемых генераторами последовательного резонанса, кварцевый резонатор включается в цепь положительной обратной связи, а его эквивалентное сопротивление имеет активный характер.
В-третьих, кварцевый резонатор может быть подключен параллельно резонансному контуру генератора. В таких схемах, часто называемых схемами с затягиванием, образуется система из двух взаимно связанных контуров. Одним из этих контуров является кварцевый резонатор, который должен работать на частоте параллельного резонатора. Следует признать, что схемотехнические решения, основанные на схемах с затягиванием, применяются сравнительно редко.
Некоторые специалисты выделяют в отдельную группу кварцевые генераторы, в которых частота генерации представляет собой одну из нечетных гармоник частоты кварцевого резонатора. Чаще всего это третья или пятая гармоника, однако иногда могут использоваться 15-я и даже 21-я гармоники. Такие генераторы называют гармониковыми.
При разработке малогабаритных транзисторных радиопередающих устройств широкое распространение получили схемотехнические решения высокочастотных генераторов первых двух групп, то есть осцилляторных генераторов и генераторов последовательного резонанса. Необходимо отметить, что в специализированной литературе и в сети Интернет можно найти большое количество конструкций, которые представляют собой модификации указанных генераторов, а их схемы лишь на первый взгляд имеют принципиально значимые отличия от основополагающих схемотехнических решений. В данном разделе будут рассмотрены особенности работы генераторов с кварцевой стабилизацией частоты, основу которых составляют лишь наиболее часто применяемые схемотехнические решения.
Трехточечные кварцевые генераторы
Среди радиолюбителей, занимающихся конструированием миниатюрных транзисторных радиопередатчиков и радиомикрофонов весьма популярны схемотехнические решения кварцевых ВЧ-генераторов с трехточечным включением резонансного контура. В таких генераторах, как и в трехточечных LC-генераторах, подключение резонансного контура к активному элементу осуществляется в трех точках. При этом, в зависимости от схемы включения по переменному току транзистора активного элемента кварцевого трехточечного генератора возможны три основных варианта включения как индуктивной, так и емкостной трехточек: по схеме с общей базой, по схеме с общим эмиттером и по схеме с общим коллектором.
Кварцевый резонатор используется в трехточечных генераторах в качестве элемента с индуктивным характером реактивного сопротивления. Поэтому при выборе схемы генератора с емкостным делителем в цепи обратной связи (емкостная трехточка) можно добиться выполнения условий самовозбуждения без использования катушки индуктивности.
В настоящее время в миниатюрных транзисторных передатчиках чаще всего используются три типа трехточечных кварцевых генераторов, выполненных с использованием емкостного делителя в цепи ПОС. Главное отличие этих схемотехнических решений, называемых по именам их изобретателей, заключается в способе включения транзистора активного элемента по переменному току. В емкостной трехточке по схеме Пирса транзистор включен по схеме с общим эмиттером, в емкостной трехточке по схеме Колпитца – с общим коллектором, а в емкостной трехточке по схеме Клаппа – с общей базой. Упрощенные принципиальные схемы трехточечных кварцевых генераторов указанных типов приведены на рис. 3.13.
