CN106487333B - 一种恒流电离激发电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种恒流电离激发电路，包含振荡器和恒流源，所述振荡器包含激发线圈，用于对电离源进行激发发光；所述恒流源为所述振荡器提供工作电流，所述振荡器的激发功率小于5W。在激发电路中加入一个由运算放大器为核心的恒流源，维持振荡电路的电流稳定，提高振荡信号的稳定性，从而稳定光谱灯或电离源的射频激发功率。运用运算放大器，使环路获得较高的闭环增益，提升原子钟的稳定度。

Description

一种恒流电离激发电路

技术领域

本申请涉及射频电路和测试领域，尤其涉及一种用于原子钟的恒流电离激发电路。

背景技术

光谱灯或电离源是很多原子钟的关键部件，这些光谱灯或电离源通常是一个玻璃泡，内部充有碱金属、缓冲气体或注入氢气，再由一个较大功率的射频信号进行激发，功率从几W至几十W，将玻璃泡内的缓冲气体电离发光，发出所需谱线，或进而激发内部碱金属发出所需谱线。例如铷钟、汞离子钟需要一个光谱灯来发射原子跃迁所需的光谱，氢钟则需要在一个玻璃泡内将氢气电离，形成一个电离源，然后泄流进入微波谐振腔。光谱灯或电离源的电离稳定性严重影响原子钟性能，严重时导致失效。电离激发电路一般是一个三极管振荡器，其振荡功率很容易受环境温度、电源电压等因素影响，进而影响电离稳定性。

发明内容

本发明提出一种恒流电离激发电路，达到改善电离稳定性的目的。

本申请实施例提供一种恒流电离激发电路，包含振荡器和恒流源，所述振荡器包含激发线圈，用于对电离源进行激发发光；所述恒流源为运算放大器电路，用于为所述振荡器提供工作电流，使所述振荡器的激发功率小于5W、振荡稳定性优于1％；所述运算放大器的输入轨到轨，单位增益带宽>1MHz。

优选地，述振荡器为电容三点式振荡器；所述振荡器包含三极管、激发线圈、第五电容、基极电阻、第一隔离电感、第六电容、第七电容；所述第五电容为可调电容，用于调整振荡频率，所述振荡频率范围为10MHz-200MHz；所述第六电容连接所述三极管的集电极和发射极；所述基极电阻一端连接所述三极管的基极，另一端为振荡器公共端；所述激发线圈和所述第五电容串联后，一端接所述三极管的集电极，另一端接所述振荡器公共端；所述第七电容连接所述三极管的发射极和所述振荡器公共端；所述第一隔离电感一端连接所述三极管的发射极、一端接地。

优选地，所述振荡器包含第二电容；所述第二电容一端连接所述三极管的集电极、一端接地。

优选地，所述恒流源包含运算放大器、输入分压电路、电压输出电路、第三电阻；所述输入分压电路一端接直流电压，一端接地，产生的参考电压连接在所述运算放大器的负输入端；所述电压输出电路一端接所述运算放大器的输出端，另一端通过所述基极电阻连接所述三极管的基极，向所述三极管提供基极偏置电压；所述第三电阻一端接直流电压，一端接所述运算放大器的正输入端，使所述第三电阻两端的电压分别为所述直流电压和所述参考电压、产生恒定电流；所述运算放大器的正输入端与所述振荡器的集电极相连接。

作为本发明进一步优化的实施例，所述输入分压电路包含第一电阻和第二电阻；所述第一电阻接所述直流电压，所述第一电阻和所述第二电阻串联接地；所述第一电阻和所述第二电阻连接点的电压值为所述参考电压。

作为本发明进一步优化的实施例，所述电压输出电路包含串联的第四电阻、第五电阻、第二隔离电感；所述第四电阻与所述运算放大器输出端相连；所述第五电阻，用于调整所述基极偏置电压。

优选地，所述恒流源包含相位补偿电路；所述相位补偿电路连接于所述运算放大器的负输入端和输出端之间。具体地，所述相位补偿电路包含第四电阻、第三电容、第四电容；所述第三电容连接在所述运算放大器的负输入端和输出端；所述第四电阻一端连接在所述运算放大器的输出端，另一端串联所述第四电容；所述第四电容一端与所述第四电阻串联，另一端接地。

优选地，本发明实施例还包含第一电容，所述第一电容一端接所述直流电压，另一端接地；

优选地，本发明实施例还包含第八电容，所述第八电容一端接所述运算放大器电压端，另一端接地。

优选地，所述运算放大器的电源端通过第六电阻与所述直流电压相连接。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：在激发电路中加入一个由运算放大器为核心的恒流源，可以维持振荡电路的电流稳定，可有效提高振荡信号的稳定性(振荡稳定性优于1％)，从而稳定光谱灯或电离源的射频激发功率；尤其是运算放大器的运用，使环路获得了较高的闭环增益，使稳流效果显著，明显提升原子钟的稳定度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为恒流电离激发电路的方案框图；

图2为三点式电容振荡器电路实施例；

图3是本发明恒流源电路的实施例；

图4为恒流源电离激发电路的电路图实施例。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为恒流电离激发电路的方案框图。本发明涉及的是相对较小功率的射频电离激发电路，用于功率5W以下场合，频率范围从10MHz-200MHz。本申请实施例提供一种恒流电离激发电路，包含振荡器20和恒流源10，所述振荡器包含激发线圈L，用于对电离源进行激发发光；所述激发线圈的电感值范围为400nH-1000nH；所述恒流源为运算放大器电路，用于为所述振荡器提供工作电流I，使所述振荡器的激发功率小于5W、所述振荡器电路的不稳定性：<1％。

图2为三点式电容振荡器电路实施例；具体地，所述振荡器为电容三点式振荡器；所述振荡器包含三极管V1、激发线圈L、第五电容C5、基极电阻R7、第一隔离电感L1、第六电容C6、第七电容C7；所述第五电容为可调电容，用于调整振荡频率，所述振荡频率范围为10MHz-200MHz；所述第六电容连接所述三极管的集电极和发射极；所述基极电阻一端连接所述三极管的基极，另一端为振荡器公共端Com；所述激发线圈和所述第五电容串联后，一端接所述三极管的集电极，另一端接所述振荡器公共端；所述第七电容连接所述三极管的发射极和所述振荡器公共端；所述第一隔离电感一端连接所述三极管的发射极、一端接地。所述第一隔离电感的作用是隔交流。

在所述三点式电容振荡器电路中，三极管V1为振荡管，第五电容、第六电容、第七电容使电路起振工作。激发线圈L上部设置有光谱灯。激发线圈所耦合的射频信号使光谱灯发光。所述激发线圈的电感值范围400nH-1000nH，根据振荡频率与所述第五电容C5联合选择，即所述激发线圈与所述第五电容的串联谐振频率约为所述振荡频率，所述第五电容的取值范围为1pF-5pF。

所述基极电阻的值为0Ω-10Ω。

作为进一步优化的实施例，所述振荡器还包含第二电容C2；所述第二电容一端连接所述三极管的集电极、一端接地。所述第二电容为一去耦电容。

图3是本发明恒流源电路的实施例，具体地，所述恒流源包含运算放大器11、输入分压电路12、电压输出电路13、第三电阻R3；所述运算放大器的输入轨到轨，单位增益带宽(GBW)>1MHz；所述输入分压电路一端接直流电压VCC，一端接地，产生的参考电压V_ref连接在所述运算放大器的负输入端IN-；所述电压输出电路一端接所述运算放大器的输出端OUT，另一端连接所述振荡器，输出电压Vb，为振荡器提供偏置电压；所述第三电阻一端接直流电压VCC，一端接所述运算放大器的正输入端IN+，使所述第三电阻两端的电压分别为所述直流电压VCC和所述参考电压V_ref、产生恒定电流I，输入到所述振荡器。

公式1中，VCC的值处于所述运算放大器额定工作电压范围内，R₃为所述第三电阻的值。恒流源是利用运算放大器的虚短作用工作的，所述输入分压电路设定参考电压后接于IN-，即设定了IN+的电压。由于第二电阻为采样电阻，将通过所述第二电阻的电流转换为电压。所述运算放大器工作在线性区域时，存在一个工作点，使其正输入端IN+和负输入端IN-电压保持一致。

通过所述第二电阻的电流由两部分组成，一部分通过所述三极管，另一部分输入所述运算放大器的正输入端，后者远远小于前者。

图4为恒流源电离激发电路的电路图实施例。

所述输入分压电路包含第一电阻R1和第二电阻R2；所述第一电阻接所述直流电压VCC，所述第一电阻和所述第二电阻串联接地；所述第一电阻和所述第二电阻连接点的电压值为所述参考电压V_ref，连接至所述运算放大器的负输入端IN-；所述运算放大器的正输入端IN+与所述振荡器的集电极相连接。

所述电压输出电路包含串联的第四电阻R4、第五电阻R5、第二隔离电感L2；所述第四电阻与所述运算放大器输出端OUT相连；所述第五电阻，用于调整所述基极偏置电压。当运用图2所示三点式电容振荡器时，所述电压输出电路连接至所述振荡器公共端Com，通过所述基极电阻R7连接所述三极管的基极，向所述三极管提供基极偏置电压，此时振荡器公共端Com的电压为Vb，通过调整第五电阻可以改变Vb直至电路被优化。此时，所述第五电阻增加了交流阻抗。通过给对环境温度特别敏感的电容三点式振荡器整洁了恒流电路，使振荡器的状态保持稳定，从而降低了电离的不稳定性。

优选地，所述恒流源还包含相位补偿电路；所述相位补偿电路连接于所述运算放大器的负输入端IN-和输出端OUT之间。具体地，所述相位补偿电路包含第四电阻R4、第三电容C3、第四电容C4；所述第三电容连接在所述运算放大器的负输入端和输出端；所述第四电阻一端连接在所述运算放大器的输出端，另一端串联所述第四电容；所述第四电容一端与所述第四电阻串联，另一端接地。

优选地，所述运算放大器的电源端VDD通过第六电阻R6与所述直流电压VCC相连接。

优选地，本发明实施例还包含第一电容C1，所述第一电容一端接直流电压VCC，另一端接地；

优选地，本发明实施例还包含第八电容C8，所述第八电容一端接所述运算放大器电压端VDD，另一端接地。第八电容是所述恒流源的去耦电路。

图4所示实施例的三点式电容振荡器，与图2所示三点式电容振荡器的实施例相同，这里不再重复说明。

当电路启动时，所述第四电容C4两端的电压为0，三极管的基极低电压，所述三极管V1不导通。当所述运算放大器的正输入端电压高于负输入端，所述运算放大器输出高电压，随着所述第四电容充电，三极管V1慢慢导通，当所述运算放大器的负输入端IN-电压达到V+时，输出电压开始调整，随后进入线性工作区，此时所述三极管V1电流稳定，最终稳定在设定点。

需要说明的是，所述第一隔离电感L1、第二隔离电感L2、第一电容C1，参考商品元器件参数手册，选择其谐振频率在所述振荡频率附近。其他元器件值根据所述振荡频率及具体三极管、运算放大器型号特性确定。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种恒流电离激发电路，包含振荡器和恒流源，其特征在于

所述振荡器包含激发线圈，用于对电离源进行激发发光；激发线圈的电感值范围为400nH～1000nH；

所述恒流源为运算放大器电路，用于为所述振荡器提供工作电流，使所述振荡器的激发功率小于5W、振荡稳定性优于1％；

所述恒流源包含相位补偿电路；

所述运算放大器的输入轨到轨，单位增益带宽>1MHz；

所述振荡器为电容三点式振荡器；

所述振荡器包含三极管、激发线圈、第五电容、基极电阻、第一隔离电感、第六电容、第七电容；

所述第五电容为可调电容，用于调整振荡频率，所述振荡频率范围为10MHz～200MHz；

所述第六电容连接所述三极管的集电极和发射极；

所述基极电阻一端连接所述三极管的基极，另一端为振荡器公共端；

所述激发线圈和所述第五电容串联后，一端接所述三极管的集电极，另一端接所述振荡器公共端；

所述第七电容连接所述三极管的发射极和所述振荡器公共端；

所述第一隔离电感一端连接所述三极管的发射极、一端接地；

所述振荡器包含第二电容；

所述第二电容一端连接所述三极管的集电极、一端接地；

所述恒流源包含运算放大器、输入分压电路、电压输出电路、第三电阻；

所述输入分压电路一端接直流电压，一端接地，产生的参考电压连接在所述运算放大器的负输入端；

所述电压输出电路一端接所述运算放大器的输出端，另一端通过所述基极电阻连接所述三极管的基极，向所述三极管提供基极偏置电压；

所述第三电阻一端接直流电压，一端接所述运算放大器的正输入端，使所述第三电阻两端的电压分别为所述直流电压和所述参考电压、产生恒定电流；

所述运算放大器的正输入端与所述振荡器的集电极相连接；

所述输入分压电路包含第一电阻和第二电阻；

所述第一电阻接所述直流电压，所述第一电阻和所述第二电阻串联接地；

所述第一电阻和所述第二电阻连接点的电压值为所述参考电压；

所述电压输出电路包含串联的第四电阻、第五电阻、第二隔离电感；

所述第四电阻与所述运算放大器输出端相连；

所述第五电阻，用于调整所述基极偏置电压；

所述相位补偿电路连接于所述运算放大器的负输入端和输出端之间；

包含第一电容、第八电容；

所述第一电容一端接所述直流电压，另一端接地；

所述第八电容一端接所述运算放大器电压端，另一端接地；

所述相位补偿电路包含第四电阻、第三电容、第四电容；

所述第三电容连接在所述运算放大器的负输入端和输出端；

所述第四电阻一端连接在所述运算放大器的输出端，另一端串联所述第四电容；

所述第四电容一端与所述第四电阻串联，另一端接地；

所述运算放大器的电源端通过第六电阻与所述直流电压相连接。