С. Яковлев, В. Ильичёв
Высокостабильные малошумящие термокомпенсированные кварцевые генераторы - базовые модели и их развитие
Стабильность частоты является критическим параметром многих радиоэлектронных систем — навигационных, измерительных, радиолокационных, поэтому улучшение параметров этих систем напрямую связано с повышением стабильности частотозадающих генераторов. Поскольку кварцевые генераторы остаются основным типом задающих генераторов в подавляющем большинстве современных приборов, то именно на повышение их стабильности направлены усилия разработчиков. В данной статье описаны принципы создания высокостабильных, малошумящих, стойких к воздействию жестких внешних факторов кварцевых генераторов, стабильность которых повышается за счет методов термокомпенсации. Представлены основные параметры базовых и некоторых перспективных моделей термокомпенсированных кварцевых генераторов, выпускаемых ОАО "Морион".
В последнее время достигнуты значительные результаты в области разработки и серийного производства прецизионных термостатированных кварцевых генераторов* высшего уровня стабильности частоты, что вывело ОАО "Морион" в ряд безусловных мировых лидеров по данному классу приборов (см. Chip News, 2003, №№ 9,10). Одновременно весьма успешно развивается и направление термокомпенсированных кварцевых генераторов**. Как ОСХО, так и ТСХО отличает высокий технический уровень, высокая стабильность, низкий уровень шумов, стойкость к воздействию жёстких внешних факторов. Ниже рассмотрены основные характеристики уже имеющихся базовых моделей термокомпенсированных кварцевых генераторов, а также некоторых перспективных моделей.
Как известно, основным фактором, дестабилизирующим частоту кварцевого генератора, является изменение температуры окружающей среды. Для ослабления его влияния применяется один из двух способов — термостатирование или термокомпенсация, а иногда они используются в комбинации. Термокомпенсированные кварцевые генераторы заметно уступают термостатированным по стабильности частоты, однако серьёзно превосходят их по экономичности энергопотребления и скорости выхода на режим после включения питания, а также и по массо-габаритным характеристикам. По сравнению же с простыми кварцевыми генераторами (без термокомпенсации), стабильность частоты термокомпенсированных генераторов может быть выше в десятки раз. Обладая указанными свойствами, термокомпенсированные генераторы устойчиво занимают значительную часть рынка пьезоэлектронной продукции.
Сущность термокомпенсации состоит в управлении частотой генератора, при котором управляющее воздействие вызывает изменения частоты, противоположные собственным температурным изменениям частоты резонатора и в идеале равные им по величине.
Из довольно большого числа известных в настоящее время способов термокомпенсации кварцевых генераторов ОАО "Морион" освоена аналоговая компенсация с варикапами в качестве исполнительных элементов управления частотой. Известная уже десятки лет, она не утратила значения до настоящего времени в силу следующих достоинств:
- высокая точность компенсации — до ±10-6 в интервале температур -6О...+85°С;
- достаточно высокая сохраняемость результатов компенсации в течение длительного времени — дополнительная погрешность ±(0,5... 1,5) х 10-6 за 15 лет;
- отсутствие микроскачков частоты внутри интервала рабочих температур, свойственных цифровым методам термокомпенсации.
Упрощённая функциональная схема, иллюстрирующая характерный вариант построения термокомпенсированного кварцевого генератора, приведена на рис. 1. Термозависимый потенциометр (ТЗП), содержащий три терморезистора и 5-6 подборных резисторов, вырабатывает зависящее от температуры управляющее напряжение, которое через развязывающий резистор подаётся на входящий в состав автогенератора варикап, включённый обычно последовательно с кварцевым резонатором.
Рисунок 1. Функциональная схема термокомпенсированного кварцевого генератора
В процессе настройки ТЗП отключён от автогенератора. Измеряются температурные характеристики сопротивлений реально установленных в генератор терморезисторов и температурная характеристика управляющего напряжения, обеспечивающего точное равенство частоты генератора номинальному значению, а затем компьютер рассчитывает сопротивления подборных резисторов, и они устанавливаются в генератор.
По рассмотренной методике не компенсируются локальные искажения температурно-частотных характеристик (ТЧХ) кварцевых резонаторов типа пиков или иных искривлений, при которых имеют место значительные изменения частоты на коротких температурных интервалах.
В связи с этим предъявляются повышенные требования к "гладкости" ТЧХ резонаторов, предназначенных для термокомпенсированных генераторов. После измерения частоты в заданных точках рабочего интервала температур ТЧХ каждого резонатора аппроксимируется по методу наименьших квадратичных отклонений полиномом четвёртого порядка, и в каждой контрольной точке вычисляется разность между реальным и аппроксимированным значениями частоты. Если эта разность превышает заданный критерий, резонатор бракуется.
Настройка и контроль характеристик термокомпенсированных кварцевых генераторов осуществляется групповым методом на базе специального автоматизированного оборудования. Локальные искажения ТЧХ генераторов надёжно выявляются в режиме непрерывного изменения температуры. Скорость изменения температуры и период следования выборок частоты каждого генератора согласованы так, что ТЧХ генераторов оказываются квазинепрерывными (рис. 2).
Рисунок 2. Квазинепрерывная ТЧХ термокомпенсированного генератора ГК120-ТК. Наблюдается искажение ТЧХ резонатора величиной около 1,5 х 10-7 при температуре 47...50°С
Имеющиеся возможности детального анализа характера переходного процесса установления колебаний после включения генератора позволяют разрабатывать термокомпенейроваиные генераторы с жёсткими требованиями ко времени вхождения в режим и контролировать соответствующие параметры в производственном процессе.
Благодаря высокой оснащённости современным технологическим и контрольно-измерительным оборудованием, значительная часть которого разработана и изготовлена сотрудниками "Морион", и наличию квалифицированного персонала, разрабатываются и выпускаются термокомпенсированные генераторы высокого технического уровня как военного, так и общепромышленного назначения.
Ниже приводится краткая характеристика выпускаемых ОАО "Морион" термокомпенсированных генераторов, а также разрабатываемых перспективных моделей.
Генератор ГК36-ТК разработан в начале 90-х годов прошлого века. В последнем термокомпенсированном генераторе завода "Морион" использован вакуумированный кварцевый резонатор в стеклянном баллоне типа "дробь", а в качестве датчиков температуры — терморезисторы типа КМТ-1 и СТЗ-17а. Это определяет довольно большие габариты и массу генератора. Другим его недостатком является повышенный уровень фазовых шумов при отстройках от несущей более 100 Гц. В настоящее время этот генератор выпускается только для комплектования аппаратуры старой разработки, в новых разработках он не применяется. Опыт, накопленный при разработке и производстве этого генератора (структуры и характеристики элементов ТЗП, методики настройки и контроля параметров генератора), явился основой для дальнейших разработок.
Генератор ГК88-ТК ныне широко используется в современной аппаратуре. В нём и в большинстве последующих моделей использованы кварцевые резонаторы в металлических корпусах, герметизируемые методом резистивной сварки. Генератор выпускается в двух вариантах по выходному сигналу: с синусоидальным напряжением 300 ± 75 мВ на нагрузке 50 Ом или с ТТЛ-КМОП-совместимым сигналом. Фазовые шумы радикально снижены по сравнению с ГК36-ТК и удовлетворяют большинству современных требований (рис. 3). Если потребитель предъявляет к генератору требования, выходящие за рамки предусмотренных технических условий, "Морион" либо стремится их удовлетворить, внося в конструкцию генератора необходимые изменения, либо прийти к взаимоприемлемому компромиссу.
Рисунок 3. Типовая спектральная плотность мощности фазовых шумов генератора ГК88-ТК. Выбросы на шумовых характеристиках генераторов носят помеховый характер и никак не связаны с работой генератора
Генератор ГК78-ТК первоначально был разработан для применения в автономных дрейфующих метеорологических буях, местоположение которых определяется со спутника (с помощью метода, использующего эффект Допплера). Особенности генератора — низкое энергопотребление (минимально 12 мВт), некритичность к изменениям напряжения питания в широких пределах, а главное — высокая средневременная стабильность частоты. В реальных условиях эксплуатации скорость дрейфа частоты генератора не должна превышать нескольких миллиардных долей в минуту при определённых скоростях изменения температуры окружающей среды. При таких условиях кроме "статической" нестабильности частоты, вызванной отличием реальной характеристики компенсирующего воздействия от идеальной, существенной и даже превалирующей может стать "динамическая" составляющая нестабильности. Последняя связана с тем, что температурная динамика влечёт за собой возникновение температурных градиентов внутри генератора, вызванных различием температуры элементов. Для обеспечения высокой средне-временной стабильности частоты проектирование генератора выполнено с учётом теплоёмкости и тепловыделения критических элементов схемы, тепловой связи между ними и т.п. К ТЧХ резонаторов предъявляются ещё более высокие требования по сравнению с резонаторами для других термокомпенсированных генераторов. Не допускаются "пики" ТЧХ амплитудой уже в несколько десятимиллионных при ширине порядка ГС. Генераторы успешно эксплуатируются в аппаратуре метеобуёв системы ARGOS.
Генератор ГК96-ТК разработан для применения в специальной аппаратуре. Его особенностями являются очень быстрое вхождение в режим после включения и стойкость к жёстким условиям эксплуатации. Выходной сигнал — импульсный, ТТЛ-КМОП-совместимый.
Генератор ГК99-ТК разработан для применения в специальной аппаратуре. Его особенности — малые габариты (корпус DIL-14 объёмом 2,5 см3) и низкое напряжение питания (3 В ± 5% или 5 В ± 5%), а также стойкость к жёстким условиям эксплуатации. Выходной сигнал — синусоидальный, напряжением 400 ± 150 мВ на нагрузке 10 кОм, допустима параллельная ёмкость до 5 пФ. При необходимости может быть согласована конкретная величина нагрузочной ёмкости более 5 пФ.
Перспективные модели термокомпенсированных кварцевых генераторов
В завершающей стадии разработки находится несколько перспективных моделей термокомпенсированных генераторов.
Генератор ГК120-ТК выпускается в общепромышленном исполнении. Его особенности — малые габариты и масса, низкий уровень фазовых шумов (рис. 4).
Рисунок 4. Типовая спектральная плотность мощности фазовых шумов генератора ГК120-ТК
Генератор ГК121-ТК также выпускается в общепромышленном исполнении. Его особенности — малые габариты и повышенное выходное синусоидальное напряжение 500 мВ на нагрузке с активной составляющей сопротивления 2 кОм.
Генератор ГК144-ТК предназначен для применения в специальной аппаратуре, разрабатывается на основе ГК88-ТК, имеет близкие к нему значения электрических параметров при расширенном интервале рабочих температур и более высокой стойкости к воздействию внешних факторов. Кроме того, предусмотрен вариант повышенной стабильности частоты: ±0,5 х 10-6 в интервале температур -4О...+6О°С. Применение кварцевых резонаторов в металлических корпусах, герметизируемых методом холодной сварки, должно обеспечить повышенную долговременную стабильность частоты — до ±2,5 х 10-7 в год.
Генераторы ГК146-ТК и ГК147-ТК разрабатываются для применения в специальной аппаратуре. По электрическим параметрам они близки к ГК144-ТК, отличаясь от него меньшими габаритами и сниженным до 5 В напряжением питания. ГК146-ТК имеет синусоидальный выходной сигнал напряжением 300 ± 75 мВ на нагрузке 50 Ом, ГК147-ТК - ТТЛ-КМОП-совместимый выходной сигнал. На рис. 5 приведена типовая картина спектральной плотности мощности фазовых шумов генератора ГК146-ТК.
Рисунок 5. Спектральная плотность мощности фазовых шумов генератора ГК146-ТК с резонатором, пьезоэлемент которого (а) не проходил специальной технологической обработки, (б) прошел специальную технологическую обработку
* Принятое по международной классификации сокращённое обозначение — ОСХО.
** По международной классификации сокращённо - ТСХО.
|
