автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.01, диссертация на тему:Исследование принципов построения высокостабильных интегральных кварцевых генераторов с нелинейным ограничением напряжения, приложенного к кварцевому резонатору

Б ОД

На правах рукописи

опт ®

ПРОКОПЕНКО Валим Георгиевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ

ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С НЕЛИНЕЙНЫМ ОГРАНИЧЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ, ПРИЛОЖЕННОГО К КВАРЦЕВОМУ РЕЗОНАТОРУ

(05.12.01 - теоретические основы радиотехники, 05.27.01 - твердотельная электроника, микроэлектроника)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог -1995

Работа выполнена в НКБ "Миус"

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Пономарев М.Ф.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Расщепляев Ю.С.,

доктор технических наук, профессор Коноплев Б.Г.

Ведущая организация: Физический институт им.П.Н Лебедева

Российской Академии Наук

Защита состоится " " 1995 г. в ч. мин. на заседании диссертационного Совета К 063.13.02 в Таганрогском Государственном Радиотехническом Университете: 347928, ГСП -17 А, г. Таганрог Ростовской области, Некрасовский пер., 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таганрогского Государственного Радиотехнического Университета.

Автореферат разослан " " 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ШЕБОЛКОВ В.В.

о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность теш и состояние вопроса

Совершенство;*ание радиоэлектронной аппаратуры обусловливает непрерывное повышение требовали;:, предъявляемых к технико-экономическим характеристикам кварцевых генераторов (КГ). Необходимы, с одной стороны, высокая стабильность частоты, с другой, - малые потребляемая мощность, габариты, масса и вреда готовности при устойчивости к яестким механическим и климатическим .воздейств!:ям, высокой надежности и низкой, стоимости.

Резкое (на порядок и более) уменьшение энергопотребления, габаритов, массы и времени готовности КГ достижимо при термоста-тировании только кварцевого пьезоэлемента и отказе от общего термостатирования генератора. В этом случае активная часть (АЧ) КГ работает в широком интервале температур. Поэтому температурная вариация параметров АЧ является главным фактором, определяющим нестабильность частоты таких КГ.

Обеспечение высокой надежности, высокой устойчивости к механическим и климатическим воздействиям делает необходимым изготовление АЧ в мтфоэлектронном исполнении. Однако, известило в настоящэе время способы построения КГ с нетермостатируемой интегральной-АЧ не позволяют создавать прецизионные генераторы,' вследствие недостаточной стабильности параметров АЧ.

Изготовление АЧ в мтсроэлектронном исполнении экономически оправдало лишь при достаточно больших объемах производств?.. Поэтому целесообразно такое построение АЧ, которое обеспечивало бы её совместимость с кварцевым резонаторов (КР) различных типов, в то'л числе, существенно отличающихся по частоте.

<

Внаеоказаяное ограничивает область возмокных подходов к построен!» АЧ требованиями отсутствия в составе схемы генератора сосредоточенных индуктивноетей, емкостей большого номинала, элементов, рассеивающих повышенную мощность, минимального числа точных резисторов, простоты схемы АЧ и её максимальной широкополосности. Наиболее полно перечисленным требованиям соответствуют КГ с. нелинейным ограничением напряжения, приложенного к кварцевому резонатору (КГ НОШ).

Особенностью генераторов такого типа является повышенная зависимость частоты колебаний от параметров нелинейности АЧ. До настоящэго времени при исследовании нелинейных свойств КГ основное внимание уделялось анализу влияния заданной нелинейности АЧ на параметры генератора. Обратная задача - синтез нелинейности АЧ, исходя из требуемых интехральных характеристик генератора, не ставилась. Вследствие этого не вцработанн критерии оптимальности нелинейных характеристик АЧ КГ НОНК, что является одним из основных препятствий цри разработке зысокостабильных интегральных КГ.

Другой проблемой, от решения которой зависит возможность реализации высокостабильных КГ НОНК, является построение цепей, ответственных за формирование нелинейности АЧ. Вследствие специфики высокоетабилышх КГ к ним предъявляется жесткая, труднореализуемая совокупность требований. Необходимо совместить высокую стабильность и воспроизводимость параметров нелинейности о функциональной гибкостью, обеспечивающей возможность реализации оптимальной вольт-амперной характеристики (ВАХ) АЧ. Одновременно должна быть обеспечена предельно малая инерционность нелинейных цепей, а также их работоспособность при весьма низком уровне сигнала, соответствующем уровню возбуждения прецизионных КР. Нелинейные цепи, удовлетворяйте воем перечисленным- вше требованиям, в иа-стоящзе время не известны.

Задачи дисоертацид

1. Исследование влияния форт ВАХ АЧ на 'основные паракэт-Т НОКК, определяющие стабильность частоту .^ренерируешх колей, и формулирование 1фитериев онтшадьно&ш релша колеба-генераторов такого типа с точки зрзйия минимизации неста-ьнооти частоты.'

I

2. Разработка методики построения, построение и исследо-ие высокостабильных интегральных КГ НОНК.

3. Разработка способа построения двухчастотного КГ, ориен-ованного на интегральное исполнение АЧ.

Научная новизна

1. Установлено существенное влияние формы ВАХ АЧ на ста-¡ьность частоты КГ НОНК. Выявлены основные закономерности, оп-деляющае физический механизм указанного влияния. Сфорыулзфова-критерга оптимальности параметров нелинейности АЧ. '

2. Разработана методика исследовялгя соотношения совз^ляю-и нестабильности частоты КГ НОНК, ио&волявщая учесть влияние рмы ВАХ АЧ.

3. Предложены способы построения и метод ингенерного расче-, лрактических схем высакестабильшх КГ ЯШК, а такхз отдельных нвдионалышх узлов таких генераторов.

4. Разработан способ построения двухчастотного квгфцевого ¡нератора на основе трехполюсного ниточника отрицательного со-ютивяения, -позволяэдай сущвствоинс снизить требования к пзба-1тельностп и точности настроЗкя частотнораздблитэльных цепей за селективном возбуждении близкораоположеннш^резокансов КР. редлоненшй способ существенно облегчает реализадав двухчасют-нх КГ в интегральном гаде. -

Практическая ценность

1. Получены аналитические выражения, позволяющие провести инженерный расчет КГ НОНК и их основных характеристик.

I

2. Разработано значительное количество практичес:и:х схем выаокостабильнык интегральных КГ НОНК, приведены выражения, описывающие их параметры.

3. Разработана схемотехника отдельных функциональных узлов КГ НОНК, в том числе сверхширокополосных интегральных линейлых усилителей токауи\усилителеЁ-огранлчителей тока с нечувствительно к теглюратуре передаточной характеристикой.

Результаты диссертационной работы внедрены б НКБ "Миус", на заводе "Кремний" (г.Таганрог), в НПО "Фонон", НПО им. С.П.Плешакова, НПО "Астрофизика" (г.Москва).

5 разработках указанных предприятий используются о ле дующие результаты диссертационной работы:

- методика расчета высокостабзльных КГ НОНК и их. отдельных функциональных узлов;

- практические схемы КГ и их функциональных узлов;

- поверочные стенда доя измерения режимной нестабильности частоты КГ, обусловленной вариацией параметров АЧ.

Реализация в промышленности' .

На основании получещшх в диссертации результатов разработаны и выпускаются серийно ца заводе "Кремний" (г.Таганрог) интегральные схемы АЧ высокоетабильного КГ; разработана техническая -и технологическая документация-на высокостабильный КГ, внедренная в работу_по созданию борговрй радиотехнической онотеын, проводиму: в НПО им.. С.П.Плешакова; ряд экспериментальных образцов генератор! использован на указанном предприятии при проведем* НИР.

Апробация • работ

Основные результаты диссертационной работы докладавалисъ на 31-35 научно-технических конференциях црсиМссорско-препода-вательского состава, аспирантов и сотрудников; ТГРТ7 (Тагаьхог, I£85-1982 гг.)» на Всесоюзной конференции по микроэлектронике (Тбилиси, 1887), в Школе по приборам с отрицательный сопротивлением 2 их применению в радиоэлектронике (Москва, 1987), ка республиканской научно-технической конференции "Методы и средства построения высокоэффективных каналов передачи данных для сетей ЦЦ и ЗШ" (Киев, 1990), на научно- технической конференции "Приборы с отрицательным сопротивлением и интегральные преобразователи на их основе" (Баку, 1991), на Всероссийской научко-техничеокок конференции о международным участием "Теория цепе.; и сигналов" (Таганрог, 1994).

Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 29 печатных работах, список основных 8 из которых приведен в конце автореферата; .получено II патентов и авторских свидетельств на изобретение, I положительное репекие по^Ваявке на изобретение.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 148 с. машинописного текста и иллюстрируется рисунками и.таблицами на 82 о. Имеется список литературы (201 наименование) на 20 о. Обвдй объем диссертации 250 с.

Основное положения и результаты диссертации, выносимые на защиту

1. Математическая модель КГ НВНК, позволяющая исследовать влияние параметров ВАХ A4 иа стабильность частоты такю: КГ.

2. Зорыа и стабильность ВАХ A4 оказывают определяющэе влияние на стабильность частоты КГ НОНК. Влияние формы ВАХ A4 обусловлено зависимостью от нее нагруженной добротности КР, среднего за период колебания значения (Тазового сдвига в A4,

а такне стабильности амплитуды и спектра генерируемого колебания. Оптимальной с точки зрения минимизации нестабильности частоты является ВАХ типа наснивния.

3. Методика анализа соотношения составляквдвс нестабильности частоты КГ НОНК, позволяющая учесть влияние Форш ВАХ A4.

4. Критерии минимизации режимной нестабильности частоты ■ КГ НОНК.

5. Методика построения высокостабильных интегральных КГ НОНК, позволяющая удовлетворить вышеупомянутым критериям.

6. Способы схемотехнической реализации A4 высокостабиль-ншс интегральных КГ НОНК, а также отдельных дденкционашшх узлов КГ; практические схемы выоокостабильных'КГ и их функциональных узлов.

7. Предлокенные методика построения и способы сештехни-ческой реализации КГ НОНК позволяют строить выоокостабильные интегральные КГ с нетермостатсфуемой A4, удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к КГ высших классов, и цревосходящие по метрологическим и технико-экономическим характеристикам еуцэст-

вупщва аналога œ. сщин-два порядка.

s 8. Новый подход к построенzo КГ о повстнной вадегностью вэзбуддения, основанный на использовании усилительных свойств пары комплементарных транзисторов с базовой е^чзью.

9. Способ построения двухчастотного КГ йа основе трехполосного источника отрицательного сопротивления, ориентированный на интегральное исполнение A4 генератора.

10. Предложенный способ построения даухчастотных КГ обеспечивает независимость услоьяй селективного возбуждения пары заданных реэояансов КР от добротности частотно-разделительных фильтров.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОШ

Во вгэдонив обоснована актуальность теш и сформулирована цель диссертационной работы.

В первой главе (Характеристика исследуемо!! проблемы) ари-ведеа обзор современного состояния техника кварцэвсй стабилизации частоты, охарактеризованы персязктавныв направления совер-сзяотвованЕЯ КГ, сфорцулцрсгагч гдсача исследования. ,

Во второй главе (Исследование динамики КГ НОНК) проведено теоретически исследование влияния формы BAI A4 на стабильность частоты КГ НОНК; сфорцулнрованн требования, которым до,тана соответствовать BAI A4, чтобы дестабилизирующее влияние нестабильности параметров A4 на частоту колебание было минимальным. 4.

ВлЕЯние форш BAI 44 на стабильность частоты КГ НОНК обус-лоалзно савгстаостьз от нээ нягруяекнлй добротности КР, спектра гензрвруеиого сагаала, сродного за период значэния фазового сдвига в A4, стабильности урозпа возбуждения КР.

Ера Ееоладованиа бзга усмотрена электрическая модель КГ

JLU

ÏIOHK, содержащая параллельно соединенные схемы самещения КР и ¿Я Схема замещения КР' состоит из динамической ветви и статической емкости кварца. 44 замешена широкополосным источником отрицатель ного сопротивления с управляемой по току ВАХ. Споооб аппроксимации ВАХ A4 выбран таким образом, чтобы подчеркнуть основные особенности процесса диссипации энергии в КГ НОНК. Для этого необхо дало четко разграничить участки ВАХ, ответственные за обеспечени условий самовозбуздения в генераторе, и участки, обеспечивающие ограничение амплитуды колебаний на заданном уровне. Указанному требованию наиболее полно соответствует аппроксимация ВАХ кусочн ломаной линией, состоящей из трех линейных участков: среднего, проходящего через то'асу покоя и имеющего отрицательное дифференциальное сопротивление, и двух боковых, дифференциальные сопротивления которых равны нулю или положительны.

Исследование динамики модели генератора проведено о помощь метода эквивалентной линеаризации Н.Н.Боголюбова в Ю.АЛЙитрополь ского. Установлено, что влияние формы ВАХ A4 на параметры стацио нарного режима КГ НОНК исчерпывающе характеризуют следующие коэф фициенты:

- коэффициент запаоа по возбуждению N , равный отношению модуля отрицательного сопротивления среднего у чао пса ВАХ к ооцро тивлению кварца;

- коэффициент h , равный отношению среднего геометрического дифференциальных сопротивлений боковых участков БАХ к сопротивле нию кварца (характеризует соотношение потерь, вносимых в колебательную систему генератора кварцевым резонатором и активной частью);

- коэффициент m , равный квадратному корню отношения пороговых токов, определяющих границы мваду участками ВАХ (характеризует асимметрию ВАХ по порогам ограничения; симмэтричной ВАХ соответствует IT1 =1) ;

- коэффициент У , равный квадратному корню ртношения даффв-л>

ренцзальных сопротивлении боковых участков ВАХ (характеризует асимметрию ВАХ по крутизне боковых участков.: симметричной ВАХ соответствует ¿'=1);

- ток 1о , равный среднем!' геометрической пороговых токов (используе^ся Е качестве базы при записи относительной амплитуды пьезотока, характеризует уровень возбуждения КР);

Показанр, что зависимость параметров генератора и характеристик генерзфуеного сигнала от формы ВАХ АЧ определяется предде всего-Значениями коэффициентов N и /? . Коэффициенты Л а [ заметно влиядя только на спектр колебаний. Целесообразно выбирать их равными единиц^ воизбеяшшз обохадашя спектра четными гармо-

зикали. Величина тоКа критична лишь в отношении значения и

\

стабильности амплитуды тока кварца и мощности, рассеиваемой на пьезоэлекенте КР.

Основные характеристики КГ НСНК зависят от коэффициентов N и И следующим образом.

• Зависимость амплитуды пьезотока 1т от указанных коэффициентов ма™ет быть приближена .схедукязм щраяением:

Г _ г

1гп ¿о«-—г ,

4+п

где к - коэффициент, изменяющийся от I при 1т~1о до при Т.е. 7/7 почти линейно зависит от И и приблизительно обратнопро-порционально от.Л . Вследствие этого чувствительность тока кварца к изменению N я Л уменьшается с ростом /) . В пределе, при неограниченном возрастании /) , величина ? стремится к 1д , независимо ог значения N . При Ь =0 чувствительность 1т к изкене-ш парапетов ВАХ в обсрм случае максимальна.

Основной особенностью влияния формы ВАХ АЧ на спектр напряжения на КР является возможность получения очень низкой чувствительности относительных амплитуд высшх гармоник к изменению

коэффициента запаса по возбуадешш У прж нуливоу значении h . Неограниченное увеличение H в втом случае приводит к незавзоя-1.ЮОТИ спектра напряжения на кварце от величина запаса по возбуждению в генераторе.

Выявлено сильное влияние форш ВАХ A4 на величину цахружен-ной добротности KP. Установлено, что добротность колебательной оиотеш КГ НОНК имеет максимальное значение, равное собственной добротности KP, если выполнено хотя бы одно из следующих условий: H =1, Л =0. Так как.первое условие соответствует работе генератора на 1ранице самовозбуждения и не может быть- на практике реализовано в КГ НОНК, условием получения максимальной нахружзнной

добротности KP является реализация. ВАХ A4 строго определенной

■ i

формы — типа наоыдрния.

Завиоимость натуженной добротности KP от парамэтров ВАХ A4 шяет быть представлена простым выражением: '

' Qs'Qfty. J '

где Q{ я *• собственная в нагруженная добротность. KP, соответственно, Ûq - коэффициент, отражающий зависи.::сть Qa от формы ВАХ. В общем случае ÍIq является функцией коэффициентов ГП и У . В случае симметричной ВАХ:

п /+ h/N

Q= ~<7~ ■: - .. - • В зависимости от форш ВАХ значение ÍIq лежит в пределах

от I до 0. При заданном h и неограниченном возрастании N зна-Чпние ÍIq асимптотически стремится к f+ft , При неохраниченном увеличении h, , независимо от величины N , стремится к нулю.. Сдадует отметить, что резкое и значительное уменьшение добротности имеет Место лишь ори небольшой отклонении N от единицы и h

нуля. При N> 2 ж h > I дальнейшее уменьшила нагруженной эотности становится сравнительно незначительным.

Иоследов&на зависимость от формы BAI Al.т.н. "нелинейной" 1 "гармонической"') составляющей нестабильности частоты, обус-иенной нестабильностью спектра генерируемых колебаний. Эта гввляющэя равна:

Коэффициент А зависит от построения цепи связи КР и A4; в гае непосредственной связи он равен емкостному коэффициенту КР. гения коэффициентов

определяются формой-ВАХ, от формы зависит также Q^ . Прираирния лМ и ^h коэффициентов N и h жтеризуют собственно нестабильность параметров A4. Таким обра, эффективность преобразования нестабильности параметров A4 з санейную" составляющую нестабильности частоты зависит от формы A4 и численно оцределяется значениями коэффициентов Ух f^Q и /¡1q . Алализ зависимости последних от параметров ВАХ показал, дестабилизирующее воздейспзие нестабильности параметрой A4 на готу колебаний минимально при h =0 и быстро возрастает гри уве-5зии этого коэффициента. Зависимость от коэффициента N в. целом гагична, но слабее. С увеличением как N , так и h это различие швается.

Для исследования влияния формы ВАХ. A4 на среднее sa период гение фагового сдвига мезду током черев КР и напряжением на нем, эльзовано представление инерционности. A4 в виде неоднозначности . Исследование показало, что эффективный фазовый сдвиг, обусдо-шющей частотную поправку, связанную.с инерционностью A4, суще-?нно зависит от формы ВАХ. Указанная зависимость определяется угвдш соотноаонием:

LPm> = У ж<р,

тда * ■ - значения фазового сдвига в A4 в сувдственьо

нелинейном режиме и при работе генератора на хранице саыовозбу; дения, соответственно; Жср - коэффициент форы, являшщайся фун цкей коэффициентов N . Ь , m и / . В случае симметричной В

(¿фиЛГ=^Г=1): (1+h)3

При изменении N от I до00 коэффициент формы меняется © ветсгвенно от I до - h • При h =0 Жср пропорционален

/А* 1 о'

куда следует возможности значительного уменьшения соотстяицсй нестабильности частоты, обусловленной непостоянством фазового сдвиге в A4, за счет оптимизации формы ВАХ A4.

В третьей главе (Анализ соотношения составляющих нестаби. нос-га частоты в КГ НОНК) разработана методика исследования соо: ношения составляющих нестабильности частоты КГ НОНК, учитывай^ специфику КГ такого типа, в частности, повышенную зависимость стабильности частоты от параметров ВАХ A4; цроанализхфована за] симость различных компонент нестабильности частоты от основных парататров A4: схТюрмулированы общие условия мшшшзацди рншам® нестабильности частоты КГ НОНК.

В основу методики положена классификация состаЕ;л;э!-дс нес бильности частоты КГ НОНК в соответствии с особенностями шхеш мов воздействия дестабияизхфующих фактров на частоту колебаний в таких КГ. Характерной особенностью интегральных КГ НОНК являе ся повышенное влияние- на частоту колебаний нестабильности пара» ров A4. Поэтому предложено.классифицировав компоненты нестабш ности частоты по месту их возникновения, раздахяя на зависящие KP и от A4 генератора. Такое разбиение позволяет обосновать ра зумнкй предел уменьшения нестабильности частоть КГ НОНК за счет

усовершенствования A4. Указанным пределом, очевидно, является сумь&рная нестабильность частоты, обусловленная нестабильностью характеристик KP. В составе параиетрической и фазовой составляющая нестабильности частоты предложено выделз;ь компоненты обусловленные прямым воздействием дестйошшзирупиш факторов на параметры генератора, и компоненты, обусловленные нестабильностью режима колебаний. Последние же разделить на зависимые и не зависимые ст форма ВАХ A4. -

На основе данной классификации предложена новая форма представления рекишой нестабильности часготы, преимуществом которой явдяэтся то, что выделенные компоненты нестабильности практически зькорроляропатти и входят в общэе выражение при одинаковой степзнп добротности в ввде безразмерных коэффициентов.

Установлено, что значения компонент режимной нестабильности

частоты КГ HGHK определяются в основном парамезрами ВАХ и гранич-1 / ной частотой A4. Показано, что только за счет оптимизации формы

ЗАХ A4 Boaícsno уменьшение режимной нестабильности частоты КГ НОНК болзе чеы на поредок. Наиболее сильно от формы ВАХ A4 зависят "нелинейная" а разовая составляющие. При повышении граничной частоты A4 приблизительно до 100 ?.'Л?ц доминирующа становится "нелинейная" составляющая нестабильности частоты. В атом случае режимная нестабильность частоты КГ НОНК практически полностью определяется нестабильностью ВАХ A4 и наиболее сильно зависит от ее формы.

Однви из основных факторов, обусловливающих нестабильность

)

частоты КГ, является нестабильность тока кварца. Показано, -что для ЕАХ A4 типа насыщзпия возмогла ззаемная компенсация дестабилизирующего действия нестабильности различных участков ВАХ на пьезо-•гск. Условие компенсации имеет следующий вид:

Ж= N~i

Ah h+1 '

В оду®б идеальной коыоевогдаа нестабильность пьззотоха будет определяться только нестабильностью пороговых токов (тока 1о ) и нестабильностью сопротивления кварца.

Сформулированы общ» условия минимизации еоотаздявдет ре аимной нестабильности частоты обусловленных нестабильностью па раметров АЧ: обеспечение оптимальной форьщ ВАХ з чакоишльной .верхней граничной частоты АЧ: выбор режима колебаний, ооотватс вуюдаго мишаальноцу значению коэффициента формы; обеспечение высокой стабильности Форш ВАХ АЧ и параметров ее отдельных участков.

В четвертой главе (Разработка схемотехники высокостабшп них КГ НОНК) рассмохрены вопросы схемотехнического проектировг ния КГ НОНК. Сформулированы 1фитерии, которым долено удовлетвс рять охемное построение АЧ высокостабильных интегральных КГ. Разработана методика синтеза электрических схем АЧ, удовлетворяющих сфор1цулзфованным требованиям. Предложены, разработаны I иоследованы практические схемы высокостабильных интегральное I а тага» отдельные функциональные узлы генераторов, которые моз ШЭгь самостоятельное применение.

Предложенная методика синтеза АЧ КГ НОНК заключается в з строении активного четырехполюсника, эквивалентное ооцротивле: меаду парой выводов которого является отрицательным, с послед; щи введением в него нелинейного звена, обзспечивакцзго формщ хание требуемой ВАХ. Показано, что основные требования, предъ. ляемыэ к активному чевфехполкснику,- возможно бодкая полоса пускания и линейность характеристик. Установлено, что указали требования в совокупности с особенностями дзшшгнз КГ НОНК (В АЧ долзна быть управляемой по току) обусловливают цргдпочтите нооть реализации активного четырехполюснзка ¿а осксха влаьюп'Х

усилением по току. В озязи о этим рассмотрены способы построим линейных источников отрицательного' сопротивления на основе

1

верхширокополосных усилителен тока, в том числе предложены и сследованы новые схеш таких усилителей. Приведены основные ха-актеристики наиболее эффективных схем ш:тиигого 'четырехполюсника.

Наиболее ответственной и труднореализуемой частью схемы КГ ОНК являет«! нелинейное звено. Схемотехническое построение этого вена должно обеспечивать совмещение высокой стабильности и вое- . роизводимости его параметров с возможностью реализации наперед аданной передаточной характеристики (ПХ). Указанная задача су-ественно осложняется весьма низким уровнем сигнала- в генераторе который определяется уровнем возбуждения прецизионных КР), в ■ аю.;е необходимостью обеспечения высокого быстродействия нелиней-ого звена.

Разработаны два подхода к схемному построению нелинейного вена, позволяйте удовлетворить перечислении.! требованиям. Пер-ыи подход основан на использсвэнии диодко-резистивных нелинейных элит-елей напряжения п тока, построенных такшл образом, чтобь: коды оставались смещенными в прямом направлении во всем рабочем капазоне сигнала, поступавшего на делитель.. Показано, что.за чет лзмзнения температурной зависимости тока смешения диодов эзглояно перераспределять температурную чувствительность дзличными участками ПХ таких делителей, устанавливая ее равной /лю на линейном участке ПХ или, наоборот, на участках дграниче-Это свойство диодно-резпетлвцых делителей позволило реалк-эвать на та основе нелинейные звенья, тлеющие заданную ПХ, форма эторой практически не зависит от температуры. Обоснованы условия анимизации температурной чувствительности и инерционности диод-г-резистивных делителей, учитывающие взаимосвязь параметров, оп-зделяющих обе'указанные характеристики. Описано нелинейное звено,

построенное на основе такого делителя, которое представляет соб< широкополосный усилитель-ограничитель тока, имеющий стабилизированную ПХ оптимальной формы. ПХ тлеет три участка, крутизна кая-

I

дого из которых, а такае положение гранкцч мезду ними, могут не: висимо регулироваться. При этом крутизна боковых участков ПХ ко: быть установлена в пределах от некоторого положительного значеш до некоторого отрицательного значения. Приведены аналитические з ранения, описывающие ПХ этого звена, а также завис^.юсть от ьхо; ного тока дифференциального коэффициента передает и его температурной чувствительности.

Второй подход связан с использованием принципа усиления тока, основанного на сравнении базо-эмиттерных напряжений транзисторов. Преимуществом этого подхода по сравнению с первым каш ется существенное повышение быстродействия нелинейного звена, а также исключение из его состава точных резисторов. Предложены вг рианты схемного построения нелинейных звеньев такого типа, вша; нзнных в ввде усилителей-ограничителей тока. Получены аналптичес киз выражения, описывающие основные характеристики предложенных усилителей-ограничителей тока. Показано, что синтезированные уез лители имеют нечувствительную к температуре ПХ, а гас полоса пропускания превышает полосу известных аналогов не менее чем вдвое /

Предложены и исследованы практические схемы высокостабильных интегральных КГ НОНК. Получены аналитические выражения, описывающие ВАХ АЧ оинтезировапных генераторов, а также выражения, отделяющие инерционность АЧ в диапазоне рабочих частот генераторов. Установлено, что относительная температурная нестабильно

ность частоты разработанных КГ составляет не более 1-10 в интервале температур вт минус 60°С до 70°С, т.е. превосходит те! псрётураую стабильность известных интегральных КГ с нетермоста-тируемой АЧ на один-два порядка и удовлетворяет требованиям,

предъявляемым к стабильности частоты К.Г высших классов.

Предложен способ построения КГ НО!IX с повышенной надежностью возбуждения. Способ основан на использовании усилительных свойств пары комплементарных транзисторов с'базовой связью. Рассмотрены варианты схемотехнического построения таких генераторов. Показана возможность получения коэффициента запаса по возбузде-

■з ___

нию превышающего 10 . Яри этом мощность, рассеиваемая на пьезо-элементе КР, в рассмотренных генераторах не превышает единиц микроватт. Предложена схема КГ НОЖ с повышенной надежностью возбуждения, не содержадая реактивных элементов.

В пятой главе (Исследование интегрального двухчастотного кварцевого генератора) рассмотрен новый способ построения двух-частотных КГ (ДКГ), обеспечивающий оптимальные условия реализации гензратора в микроэ.изктронном исполнении. В состав предложенной структуры ДКГ входит трехпольный источник отрицательного сопротивления (ТИОС), к полюсам которого подключены двухчастот-1шй КР и два последовательных ¿С - контура, настраиваемых-на частоты ьозбуядаэмых резонансов КР. Построена математическая модель предложенного ДКГ, в которой И10С представлен в виде- соединенных в звезду трех двухполюсных источников отрицательного сопротивления (ДИОС), тлеющих управляемую током ВАХ. Нелинейность ВАХ аппроксимирована кубической параболой.

Теоретическое исследование модели показало, что в йредло-женком ДКГ существуют усто^гвые двухчастотные колебания на частотах требуемых резонансов КР. Сунзэствует область значений параметров генератора, в которой двухчастотный режим колебаний имеет абсолютную устойчивость, т.е. все фазовое цроотранстзо является областью притяжения особой точки, соответствуюпрй этоц^ движению. В пределах данной области возможно безопасное (с точки

зрения возмашости срива двухчастотних колебаний) мзыейение параметров ДКГ при выборе оптимальных условий для уменьшения нсста-' бильности частоты и улучшения спектрального состава геиерцруемш. колебаний.

Выявлена независимость условий существования и устойчивости двухчастотных колебаний.от ведичшш добротностей последовательна LC -контуров, обеспечивающих селекцию возбуздаемых резонансов КР в цепи положительной обратной связи ДКГ.

Установлено, что для предотвращения хаотического поведения исследуемого ДКГ достаточно выполнения только определенного соотношения мезду резонансными частотами LC-контуров и КР. Причем в области малых расстроек ¿С-контуров относительно частот резонансов КР хаотическое поведение данного ДКГ невозможно.

Полученные соотношения, определяющие допустимые значения paccipoeK LC-контуров относительно частот возбуздаемых резонансов КР, шйсазывают, что допустимые значения расстроек соизмеримы о частотным интервалом между резонансами КР и не зависят от добротностей ¿С-контуров. Поэтому ДКГ на основе 1И0С может быть состроен с использованием низкодобротных фильтров с относительно невысокой стабильность» параметров, т.е. удобен лля реализации ■ ,в интегральном ввде.

Устойчивость дбухчастотного режима колебаний в.продложен-Jucet ДКГ била проверена экспериментально на лабораторном макете, выполненном с учетом основных требований, предъявляемых к инте-грельнш схемам: индуктивности LC-контуров имитировались охеш-техничеокж, схема сеяеркит минеральное количество конденсаторов. Результат« эксперимента показали, что двухчастотный реким колебаний остается устойчивым в интервале температур от минус 60°С до 85°С прх изменении собственных добротностей LC- контуров более чем на два горняке я расстройках юс центральных частот от-

юительно резонаноов KP более чем на треть о» частотного иптер-иа мезду последний!.

В заключении 1фатко изложены основные результаты диссбрта-тонной работы.

В диссертации обоснованы принципы построения высокостабиль-сс интегральных КГ НОНК, разработаны способы построения и схеда-гхника таких генераторов, чтс позволяет существенно повысить ¡хнико-экономические характеристики миниатюрных источнэков опор-ix частот.

1. Выявлено сильное влияние формы ВАХ A4 на значения пара-!троз, определяющих величину режимной нестабильности частоты ^ 1НОНК (нагруженную добротность KP, спектр генерируемых колеба-Ш, среднее за период значение фагового сдвига-в A4, стабиль->сть амплитуды тока кварца). Получены аналитические выражения, шенвающие указанное влияние. Показано, что существует опти-шдая форма ВАХ A4, которой соответствует минимальное деста-иизйрующее воздействие вариации параметров A4 на частоту го-¡рируемых колебаний. Отклонение формы ВАХ от оптимальной может шкать стабильность частоты КГ НОНК на несколько порядков, эедлояена методика исследования соотношения составляющей неста-шьности частоты КГ ЕОНК, учитывающая специфику таких КГ, в ютности, повышенное влияние формы ВАХ A4.

2. Сформулированы общие условия минимизации нестабильности ; с то ты КГ НОНК и требования, которым додгею удовлетворять по-рроение A4 таких генераторов. Разработана методика схемотехни-зского построения высокостабильных интегральных КГ НОНК. В рам-ix методики предложены новые способы реализации быстродействую-э: нелинейных цепей, имеющих нечувствительную к температуре эле-грически управляемую ПХ. Разработаны и исследованы практические

схемы высокостабилышх интегральных КГ НОНК, в том числе КГ с пс шенной надежностью возбуждения. Полученная относительная теше-

о

ратурная нестабильность частоты (не более 1-10-в интервале температур от минус 60°С до 85°С и 1*10-9б интервале тешератур от 25^0 до 85°С( на один-два порядка лучше нестабильности частоты известных КГ ШНК с нетермостатируемоы АЧ. Обаэе термос та тарова-ние разработанных КС^НОЫК позволяет ожидать снижения температур! нестабильности до 1-Ю"11 - 1-Ю"12.

3. Разработан новый способ построения двухчастоткых КГ на основе ТИОС, ориентированный на интегральное исполнение гелерат« ра. Исследована математическая модель предложенного генератора. Подучеы* условия существования и устойчивости двухчастотного ре-кима колебаний в таком КГ. Показано, что предложенный способ позволяет строить двухчастотные КГ- на основе ндзкодобротнцх фыльт ров с относительно невысокой стабильностью параметров, т.е. удо бец гля реализации ДКГ в интегральном виде.

Разработанные в диссертации способы построения и методы инженерного расчета высокостабильных кварцевых генераторов при-"йеияются в разработках НКБ "Ыиус", 42ПО "Фонон", НПО им, С.П.Пле шакова, НПО "Энергия", НПО "Астрофизика". Результаты диссертационной работы использованы при разработке, интегральной схемы высокостабильного КГ, выпускаемой серийно на заводе "Кремний", г. Таганрог.

В целом, в диссертационной работе разработаны принципы построения и развита теория высокостабильных интегральных КГ НОЕК, предложенные методики, рекомендации и устройства используются в промышленности.

Основные результата диссертация онуйлтаовары в следующих работах:

1. Прокопенко В.Г. Широкополосные интегральные усидители-огравичители тока с управляемой передаточной «арактаристякай // Мшфозлэктроншса.- 1993.- Ж.- П.41-46.

2. Прокопенко В.Г. Двухчастотный кварцевый генератор // Радиотехника.- 1994.- Ш.- С.24-26.

3. Прокопенао В.Т. Зависимость режима колебаний в кварцевых генераторах с нелинейным 01раничением паарянения на кварце от параметров вольт-амперной характеристики активного элемента // Системы и средства телекоммуникаций.- 1992.- йЗ.- С.-14-17.

4. Прокопенко В.Г. Экономичные, управляемые по частоте, кварцевые генераторы с повышенной надежностью возбуядения // Радиотехника.- 1992,- ЖО.- С.87-90.

5. Липко С .И., Прокопенко В.Г. Повышение стабильности частоты кварцевых генераторов с нелинейным ограничением напряжения на кварце // Электронная техника. Сер.З. Ыигфоалектроника.-1991.- Вып.6.- С.51-54. ,

6. Прокопенко В.Г. Широкополосные интегральные усилители-ограничители со стабилизированной управляемой передаточной характеристикой // Системы и средства телекоммуникаций. - 1992.-№.- С.15-17.

7. Прокопенко Б.Г. Влияние потерь, вносимых активным элементом, на стабильность частота'.кварцевых генераторов с нелинейным ограничением напряжения на кварце // Электронная техника. Сер.10. Микроэлектронные устройства.- 1992.- Вып.3-4.- С.21-24.

8. Прокопенко В.Г. Зависимость нагруженной добротности кварцевого резонатора от формы вольт-шшерной характеристики активной части кгарцевого генератора // .Тежшка средств связи.-1993,- Внп.1.- С.88-31.

Разработанные и исследованные в диссертации устройства защищены патента}.® и авторскими свидетельствами:

I. Пат. 1790793. Кварцевый генератор / В.Г.ПроКопенко.-Опуйл. 1993. Бюл. №3.

- 2. Пат. I830I84. Устройство о отрицательным сопротивлением / Б.ГЛрокопенко.- Опубл. 1993. Бол. S27.

3. Пат. 1782333. Кварцевый генератор / В. Г .Прокопенко. -Опубл. 1992. Бш. Мб.

4. Пат. 1775848. Уоилитель-охраничитель тока / В.Г.Прокопенко. Опубл. 1992. Бия. &42

5. A.c. 1769345. Усилитель тока /' В.Г.Прокопенко.- Опубл. 1992. Бил. й38. 4

6. Пат. 1704267. Устройство с отрицательным сопротивлением / В.Г.Прокопенко.- Опубл. 1992. Бш. JÜ.

7. Пат. 1704270. Устройство с отрицательным сопротивлением / В.Г.Прокопенко.- Опубл. 1992. Бил. Ш.

8. Пат. I69I924. Кварцевый генератор / В.Г.Проконенко.-Опубл. 1991. Бол. М2. .

9. Пат. 1706001. Кварцевый генератор / В.ГЛрокопенко.-Опубл. 1992. Бюл. J82. / '

10. A.c. 1798888. Токовое зеркало / В.Г.Пракопенко. 0.Н.Не-годенко.- Опубл. 1993. Бш. £8.

II. A.c. I8I8S82. Устройство о отрицател±ным сопротивлением / С .И .Липко, В.Г.Прокопенко, О.Н.Негоденко,- Опубл. 1993. Бш. Ш.

12. Положительное решение по заявке JM93939I/09. Генератор, управляемый напряжением / В.Г. Прокопенко.