CZ2011278A3 - Mustkový krystalový symetrický oscilátor - Google Patents

Abstract

Krystalový oscilátor je proveden s nevyváženým mustkem Wheatstoneova typu se symetrickým zesilovacem s bipolárními tranzistory. První krystalový rezonátor (2) je doplnen prvním doladovacím kondenzátorem (15) a druhý krystalový rezonátor (3) je doplnen druhým doladovacím kondenzátorem (16), které umožnují presné nastavení rezonancních frekvencí obou vetví mustku na stejnou hodnotu, a to i v prípade, že rezonancní frekvence krystalových rezonátoru (2, 3) samotných nejsou presne stejné. Zesilovac, který tvorí spolu s mustkem oscilující smycku s kladnou zpetnou vazbou je rešen jako rozdílový symetrický zesilovac. Zesilovac je unilaterizován krížovým zapojením dvou unilateralizacních dvojpólu tvorených v jednom prípade prvním unilaterizacním rezistorem (27) a prvním unilaterizacním kondenzátorem (26) a ve druhém prípade druhým unilaterizacním (29) a druhým unilaterizacním kondenzátorem (28) tak, aby byl minimalizován zpetný prenos zesilovace a vyloucen možný vliv zmen zesílení zesilovace na oscilacní kmitocet. Obvod pro rízení zesílení je tvoren napetove závislým delicem napetí, který je zapojen mezi asymetrický výstup symetrického zesilovace, první svorka (71) nesymetrického vinutí transformátoru a vstupní svorku mustku tvorenou bodem propojení prvního rezistoru (1), lineárního rezistoru (17) a druhého doladovacího kondenzátoru (16). Napetove závislým delic napetí je tvoren napetove závislým rezistorem (13) a lineárním rezistorem (17). Vzrustem hodnoty napetove závislého rezistoru pri vzrustu úrovne signálu dochází ke snížení prenosu delice napetí a stabilizaci amplitudy kmitu.

Description

Mústkový krystalový symetrický oscilátor

Oblast techniky

Řešení se týká zařízení krystalového oscilátoru, který umožňuje dosáhnout vysokou stabilitu frekvence, nízkou úroveň fázového šumu a stabilní úroveň generovaného signálu a je po obvodové i konstrukční stránce poměrně jednoduchý a lze jej realizovat s použitím přibližně 30 součástek.

Dosavadní stav techniky

Běžné konstrukce oscilátorů jsou tvořeny zesilovačem, který je doplněn smyčkou kladné zpětné vazby, ve které je na pracovní frekvenci oscilátoru přenos roven reálnému číslu 1. Zpětnovazební obvod je obvykle tvořen pásmovou propustí, která je řešena tak, že zesílení zesilovače právě kompenzuje útlum zpětnovazebního obvodu, fázový posuv zpětnovazebního obvodu kompenzuje fázový posuv zesilovače.

Velmi časté konstrukce oscilátorů vycházejí z principiálních zapojení s Π článkem nebo přemostěným T článkem ve zpětnovazebním obvodu. Krystalový oscilátor s Π článkem ve zpětnovazebním obvodu má na vstupu a výstupu Π článku zapojen kondenzátor, v podélné větvi Π článku je zapojen krystalový rezonátor. Podle parametrů v obvodu je u oscilátoru volen pracovní režim rezonátoru.

Jsou-li reaktance kondenzátorů malé, srovnatelné s ekvivalentním sériovým odporem rezonátoru, odpovídá oscilátor modifikaci Clappově (Gouriet-Clappově). Do série s krystalovým rezonátorem je zařazen navíc další kondenzátor, krystalový rezonátor pracuje v okolí své sériové rezonance s indukční složkou reaktance. Zapojení oscilátoru je jednoduché. Toto zapojení je obvykle užíváno pokud má být realizován oscilátor běžné kvality s diskrétním aktivním prvkem, tedy tranzistorem, či tranzistorem řízeným polem, s krystalovým rezonátorem řezu AT a v oblasti frekvencí cca. 0,5 až 30 MHz.

Jsou-li reaktance kondenzátorů velké, odpovídá oscilátor modifikaci Pierceově, krystalový rezonátor pracuje opět s indukční složkou reaktance blíže k paralelní rezonanci. V jednoduchém zapojení s tranzistorem jsou tyto oscilátory používány jako oscilátory s krystalovými rezonátory řezu SC (Stress Compensated), pro které je v tomto zapojení snazší vytvořit doplňkové selektivní obvody pro potlačení nežádoucích vidů kmitů (vidy B a C). Dále je toto zapojení velmi často užíváno ve všech případech, kdy aktivním prvkem oscilátoru je integrovaný zesilovač, operační zesilovač, logický obvod. V této modifikaci je zde snáze možné nastavit vstupní a výstupní impedance Π článku na vyšší hodnoty vyhovující integrovaným obvodům a zejména obvodům s velmi malou spotřebou.

Krystalový oscilátor s přemostěným T článkem ve zpětnovazebním obvodu má na vstupu a výstupu T článku směrem k uzlu zapojeny kondenzátory, od uzlu k zemi je zapojen krystalový rezonátor a v podélné větvi jako přemosťující prvek je zapojena indukčnost. Oscilátor lze popsat též jako modifikaci Butlerova oscilátoru, což je zesilovač s krystalovým rezonátorem v emitorovém obvodu tranzistoru a s obvodem kladné zpětné vazby s rezonančním obvodem s rozdělenou kapacitou. Zapojení je užíváno zejména tam, kde je třeba dalším kmitočtově selektivním obvodem vybrat pracovní frekvenci oscilátoru z množství rezonančních frekvencí krystalového rezonátoru, například má-li oscilátor kmitat na harmonické frekvenci krystalového rezonátoru.

Popsaná zapojení ale nedávají dobré výsledky tam, kde jsou na oscilátor kladeny vysoké nároky. U oscilátoru nezajišťují ani vysokou stabilitu frekvence, ani minimální generovaný šum, ani stabilitu amplitudy generovaného signálu. Všechny tyto jevy spolu vzájemně souvisí, i když nejvíce bývá sledována oblast stability frekvence.

Frekvence kmitů oscilátoru je v první řadě ovlivňována teplotními změnami rezonanční frekvence rezonátoru a teplotními změnami hodnot všech součástek použitých v řetězci zpětné vazby oscilátoru. Další změny frekvence jsou způsobeny změnou fázového posunu zesilovače a její kompenzací kmitočtovou závislostí fázového posunu řetězce zpětné vazby. Změny fázového posunu zesilovače způsobuje jeho nelinearita, respektive amplitudová závislost komplexní přenosové funkce zesilovače, ke které dochází vlivem nelinearity aktivního prvku. U jednoduchých oscilátorů přitom musí být použit nelineární aktivní prvek, protože nelinearitou je řízena amplituda kmitů oscilátoru buď přímo poklesem zesílení zesilovače při velké úrovni signálu, nebo přemísťováním pracovního bodu aktivního prvku po jeho statické charakteristice tak, aby se pro velkou úroveň signálu dostával pracovní bod do oblasti, kde má aktivní prvek menší zesílení. To ale vždy znamená harmonické zkreslení zpracovávaného signálu, změnu zesílení i fázového posuvu přenášeného signálu.

Fázový šum oscilátoru je na spektru signálu oscilátoru patrný jako Sumový náhodný signál v okolí pracovní frekvence. Šum je způsoben šumem všech součástek v oscilátoru, z nichž největší vliv má Šum aktivního prvku, zejména jeho proudový 1/f šum. Pokud je aktivní prvek jakkoli nelineární, dochází ke konverzi 1/f šumu na fázový šum, který je patrný ve spektru v okolí pracovní frekvence oscilátoru. U jednoduchých oscilátorů není tato problematika prakticky vůbec řešena. Aktivní prvky pracují s vysokou nelinearitou, někdy téměř ve spínacím režimu, obvod oscilátoru není řešen s ohledem na minimalizaci šumu aktivního prvku. Fázový šum těchto oscilátorů je proto poměrně velký, ve vzdálenosti několik set Hz od pracovní frekvence převyšuje úroveň tepelného šumu o 60 až 100 dB.

Krystalový oscilátor, který je řešen s ohledem na zachování lineárního provozu použitého zesilovače, je oscilátor Meachamův. V Meachamově mústkovém oscilátoru je krystalový rezonátor zapojen ve Wheatstoneovu můstku, kde nahrazuje jeden rezistor. Můstek je zapojen, obvykle pomocí dvou transformátorů, jako zpětnovazební obvod mezi vstup a výstup lineárního zesilovače. Zapojení můstku a jeho vyvážení jsou voleny tak, aby na rezonanční frekvenci rezonátoru byl můstek mírně nevyvážen a přenos můstku z výstupu zesilovače na vstup přes můstek způsoboval kladnou zpětnou vazbu. Mimo rezonanční frekvence rezonátoru a úzkého pásma frekvencí okolo ní je zpětná vazba způsobená přenosem nevyváženého můstku záporná. Můstkový obvod způsobuje, že oscilační kmitočet je méně ovlivňován změnami parametrů obvodů vně mostu. Potlačení těchto vlivů roste s nárůstem zesílení zesilovače, který způsobuje možnost nastavení funkce oscilátoru blíže ke stavu vyvážení můstku. Můstkový obvod lze chápat též jako násobič Q, který zvětšuje efektivní činitel jakosti rezonátoru úměrně zesílení zesilovače. Náhradou jednoho

I t £ rezistoru v můstku nelineárním rezistorem, jehož odpor je závislý na přiváděném napětí, je provedena stabilizace amplitudy kmitů oscilátoru. Nelineární odpor je v můstku zapojen tak, aby na frekvenci odpovídající rezonanční frekvenci rezonátoru při nárůstu napětí docházelo ke změně nastavení můstku blíže ke stavu vyváženému. Změnou odporu nelineárního rezistoru potom dojde k nastavení nevyvážení můstku přesně na hodnotu odpovídající zesílení zesilovače a zesilovač může pracovat v lineárním režimu s minimálním zkreslením.

Přestože Meachamův oscilátor má výrazně lepší vlastnosti než výše uvedené jednoduché oscilátory, není často používán. Pro aplikace, kde jsou na oscilátor kladeny maximální nároky, není užíván. Protože můstek pracuje ne zcela přesně ve vyváženém stavu, ale pouze v režimu, který je vyváženému stavu blízko, není u oscilátoru zcela vyloučen vliv fázového posuvu aktivního prvku na kmitočet. Můstek působí nepříznivě i na zatížení krystalu, protože výkon ztrácející se v krystalovém rezonátoru je obvykle řádově větší, než výkon, který se dostává na vstup zesilovače. Další nevýhodou je i složitost můstkového obvodu spolu s obvody, které jej umožňují připojit a přizpůsobit k zesilovači. Obvod obsahuje dva transformátory a velmi snadno v něm mohou vzniknout oscilace na kmitočtu odlišném od rezonančního kmitočtu rezonátoru a obtížně lze i potlačovat nežádoucí mody oscilací krystalových rezonátorú.

Můstkový krystalový symetrický oscilátor, CZ 301881, využívá jako selektivní obvod symetrický Wheatstoneův můstek se dvěma krystaly a symetrickým zesilovačem. K jeho diagonále jsou připojeny vstupy symetrického zesilovače, výstup zesilovače je řešen symetrizačním transformátorem, z jehož asymetrického výstupu je napájena druhá diagonála můstku. Zesilovač je řešen specificky jako velmi přesně symetrický zesilovač. To je výhodné, předpokládá-li se v zesilovači použití aktivních prvků s kvadratickou převodní charakteristikou, např. tranzistorů J-FET. V symetrickém zapojení je dobře kompenzována nelinearita jejich charakteristiky a významné je sníženo nelineární zkreslení signálu přenášeného zesilovačem při řízení zesílení zesilovače bez ohledu na to, zda k řízení je použit nelineární rezistor, který je řízen přímo přiloženým výkonem signálu, nebo je k řízení použita řídicí smyčka, která ovládá zesílení zesilovače změnou pracovního bodu aktivních prvků podle úrovně signálu v zesilovači.

Symetrický můstek umožňuje ve srovnání můstkem s jedním rezonátorem pro stejné zesílení zesilovače přibližné dvojnásobné zvýšení fiktivního činitele jakosti rezonátoru. Pro dosažení shodného výstupního napětí můstku a shodného fiktivního činitele jakosti rezonátoru je v můstku se dvěma rezonátory na rezonátory přiloženo poloviční napětí a rezonátory jsou zatíženy čtvrtinovým ztrátovým výkonem. Při stejném zatížení krystalových rezonátorů lze dále dosáhnout na vstupu zesilovače vyšší poměr signál/šum než při použití můstku s jedním krystalem a můstkový symetrický oscilátor s můstkem se dvěma krystaly má v okolí generovaného signálu nižší úroveň fázového šumu a Šířka šumového spektra je menší.

Další variantou krystalového oscilátoru jsou můstkové oscilátory s vyváženým můstkem. Nejstarší z nich je můstkový oscilátor ovládaný pomocí servoregulátoru popsaný v dokumentu T. A. Pendleton, A Systém for Precision Frequency Control of a 100 kc. Oscillator by Means of a Quartz-Crystal Resonator, M.S. Thesis, Univ. Of Maryland, May 1953

Tento oscilátor je již složité zařízení obsahující napětím řízený krystalový oscilátor, modulační oscilátor, VF modulátor a synchronní usměrňovač, můstek s krystalovým rezonátorem a servoregulátor pro řízení frekvence napětím řízeného krystalového oscilátoru. Signál procházející můstkem s krystalovým rezonátorem pří nevyvážení řídí regulační smyčku napětím řízeného krystalového oscilátoru, takže oscilátor nastavuje na frekvenci, na které je můstek vyvážen. Oscilátor může pracovat s minimální odchylkou můstku od vyváženého stavu, jejíž velikost je omezena jen zesílením v regulační smyčce. Nevýhodou je jeho složitost, nutnost použití další modulační frekvence a použití dvou krystalových rezonátorů.

Dalším podobným systémem je vysoce stabilní oscilátor s vyváženým můstkem popsaný v dokumentu P. G. Sulzer, “High Stability Bridge Balancing

Tlí.*

Oscillator,” Proč. IRE, June 1955, pp. 701*707.. Principiálně je tento systém shodný s můstkovým oscilátorem ovládaným pomocí servoregulátoru. Modifikovaná konstrukce umožňuje řešení můstku i napětím řízeného krystalového oscilátoru s jediným krystalem.

Poslední z těchto konstrukcí je oscilátor řízený vyváženým můstkem popsaný v dokumentu R.K. Karlquíst, “Bridge-stablized oscillator circuit and method,” jkkSl jjatent ^5^08,394, Jan. 13, 1998. Konstrukce systému vychází z obvodu propustného krystalového můstku což jest poloviční můstek se symetrizačnim transformátorem s uzemněným středem symetrického vinutí, ve kterém je krystalový rezonátor v rezonanci pomocí symetrizačního vinutí vyvažován ohmickým odporem. Můstek má ve vyváženém stavu ze strany krystalového rezonátoru na sekundární vinutí transformátoru nulový přenos. Vstupní impedance můstku na straně krystalového rezonátoru je ekvivalentní impedancí krystalového rezonátoru s polovičním činitelem jakosti. Můstek je z této strany buzen řídicím oscilátorem systému, což jest oscilátor s přemostěným T článkem, který je doplněn obvody pro řízení frekvence a stabilizaci úrovně signálu. Smyčka automatického řízení frekvence je řízena výstupním signálem krystalového můstku, který je zesilován VF zesilovačem a usměrňován synchronním detektorem. Stejnosměrným napětím po integraci je řízena frekvence budicího oscilátoru. Zároveň je smyčkou řízeni amplitudy nastavováno zesílení v obvodu oscilátoru na konstantní úroveň signálu na vstupní bráně krystalového můstku.

Oscilátor může podle publikovaných údajů poskytovat vynikající výsledky: oscilátor 10 MHz má stabilitu frekvence řádu 10‘¹⁰/°C, úroveň fázového šumu -150 až -160 dBc/Hz ve vzdálenosti větší než 100 Hz od nosné. Přesto oscilátor není používaným zařízením. Příčinou je jeho složitost, obsahuje mnoho desítek součástek, obtížnost konstrukce nejen vlastního oscilátoru, ale i všech regulačních smyček, a pravděpodobně i nespolehlivost zařízení. Velké množství součástek produkuje i vyšší šumový výkon, který se projevuje zvýšením fázového šumu i šumového pozadí na signálu oscilátoru.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje můstkový krystalový symetrický oscilátor podle předkládaného řešení.

* « * fr i

« * *

1 * I « t · ·: * : : ::..

> * · » * *

Základem můstkového krystalového oscilátoru je Wheatstoneúv můstek zapojený ve zpětnovazební smyčce mezi vstup a výstup symetrického zesilovače. Tento můstkový krystalový oscilátor obsahuje obvod pro řízení zesílení. Wheatstoneúv můstek má ve dvou protilehlých větvích zapojen první a druhý rezistor. Druhé dvě větve obsahují protilehle zapojený první a druhý krystalový rezonátor. Společný uzel větví s prvním krystalovým rezonátorem a druhým rezistorem je spojen se zemní svorkou. Společný uzel zbývajících dvou větví je propojen s první svorkou nesymetrického vinutí symetrizačního transformátoru, jehož druhá svorka je propojena se zemní svorkou. K diagonále Wheatstonova můstku, a to ke společnému uzlu větví s prvním rezistorem a s prvním krystalovým rezonátorem, a ke společnému uzlu větví s druhým rezistorem a druhým krystalovým rezonátorem, který má shodný rezonanční kmitočet jako první krystalový rezonátor, jsou připojeny přes první a druhý oddělovací kondenzátor vstupy symetrického zesilovače. Symetrický zesilovač je tvořen prvním a druhým bipolárním tranzistorem s první a druhou impedancí zapojenou mezi příslušný emitor a zemní svorku a s třetím oddělovacím kondenzátorem mezi emitory. Mezi kolektory je pak zapojen dolaďovací kondenzátor, jehož konce jsou zároveň připojeny mezi první a druhou svorku symetrického vinutí symetrizačního transformátoru. První svorka symetrického vinutí symetrizačního transformátoru má stejnou fázi signálu jako je na první svorce nesymetrického vinutí symetrizačního transformátoru. Druhá svorka symetrického vinutí symetrizačního transformátoru má opačnou fázi signálu než je na první svorce jeho nesymetrického vinutí. Střední svorka symetrického vinutí je propojena se svorkou přívodu napájecího napětí, která je propojena se zemní svorkou přes první blokovací kondenzátor.

Podstatou nového řešení je, že ve větvi Wheatstoneova můstku s prvním krystalovým rezonátorem je v sérii s ním zapojen první dolaďovací kondenzátor a ve větvi s druhým krystalovým rezonátorem je v sérii s ním zapojen druhý dolaďovací kondenzátor. Obvod pro řízení zesílení je tvořen jednak lineárním rezistorem, který je zapojen jedním koncem ke společnému uzlu větve s prvním krystalovým rezonátorem a větve s druhým rezistorem a druhým koncem ke společnému uzlu větve s druhým krystalovým rezonátorem a větve s prvním rezistorem, a jednak napěťově závislým nelineárním rezistorem. Tento napěťově závislý nelineární rezistor je připojen mezi druhý konec lineárního rezistoru a první svorku nesymetrického vinutí symetrizačního transformátoru. Dále je mezi svorku pro přívod napájecího napětí a zemní svorku zapojen jednak první odporový dělič tvořený třetím a čtvrtým rezistorem, jejichž společná svorka je propojena s bází prvního tranzistoru, a jednak druhý odporový dělič tvořený pátým a šestým rezistorem, jejichž společná svorka je propojena s bází druhého tranzistoru.

Unilateralizace symetrického zesilovače je provedena křížovým zapojením unilateralizačních dvojpólú, které jsou tvořeny sériovým spojením rezistoru a kondenzátoru. Báze prvního tranzistoru je přes první unilateralizační dvojpól tvořený prvním unilateralizačním kondenzátorem a prvním unilateralizačním rezistorem propojena s druhým vývodem symetrického vinutí transformátoru, báze druhého tranzistoru je přes druhý unilateralizační dvojpól tvořený druhým unilateralizačním kondenzátorem a druhým unilateralizačním rezistorem propojena s prvním vývodem symetrického vinutí transformátoru.

Unilateralizace je volbou hodnot unilateralizačních kondenzátoru a rezistoru nastavena tak, aby byl dosažen minimální zpětný přenos zesilovače, protože tak je minimalizován i vliv možných změn zesílení zesilovače na frekvenci oscilátoru.

Je optimální, pokud jsou první a druhý krystalový rezonátor v můstku shodné a rovněž tak je shodný i první a druhý rezistor.

Uvedený můstkový krystalový symetrický oscilátor vychází z můstkového krystalového symetrického oscilátoru a ve srovnání s ním umožňuje další snížení úrovně fázového šumu v okolí jím generovaného signálu, zejména mají—li krystalové rezonátory v můstku malý efektivní sériový odpor v rezonanci. Doplněním obou krystalových rezonátorú sériovými dolaďovacími kondenzátory je umožněno přesné nastavení sériových rezonančních kmitočtů obou větví můstku, ve kterých jsou umístěny rezonátory, na stejnou hodnotu, i když rezonanční kmitočty samotných rezonátorú nejsou přesně shodné. Modifikace zesilovače použitím bipolárních tranzistorů jako aktivních prvků umožňuje dosáhnout lepší přizpůsobení vstupu zesilovače k malému vnitřnímu odporu můstku. Bipolární tranzistory vykazují i menší ekvivalentní napěťovou úroveň šumu, zejména v oblasti nízkých frekvencí. Použití bipolárních tranzistorů dále vede k modifikaci principu řízení zesilovače odporovým «Μ děličem s napěťově závislým odporem a zavedení unilateralizace aktivních prvků zesilovače.

Proklad na výkrazzcJi

ÍObiasfíéní-vvkfesů-f

Příklad provedení můstkového krystalového oscilátoru podle předkládaného řešení je uveden na přiloženém výkrese.

provode-nr

Příklady .ůskuteénénF vynálezu

Konfigurace zařízení dle předkládaného řešení je tvořena Wheatstoneovým můstkem s prvním rezistorem 1 a druhým rezistorem 4, které jsou zapojeny v protilehlých větvích a prvním krystalovým rezonátorem 2 a druhým krystalovým rezonátorem 3, které jsou spolu se sériově zařazeným prvním dolaďovacími kondenzátorem 15 a druhým dolaďovacím kondenzátorem 16 zapojeny ve zbývajících protilehlých větvích. Dále zapojení obsahuje symetrický zesilovač s prvním tranzistorem 5 a s druhým tranzistorem 6 a se symetrizačním transformátorem 7. Wheatstoneův můstek je v obvodu oscilátoru zapojen tak, že jedna svorka jeho vstupní diagonály je uzemněna, kdy na zemní svorku 21 jsou prvními svorkami připojeny první krystalový rezonátor 2 a druhý rezistor 4. Ke druhé svorce prvního krystalového rezonátoru 2 je první svorkou připojen první dolaďovací kondenzátor 15, k jehož druhé svorce a druhé svorce druhého rezistoru 4 jsou svými prvními svorkami připojeny první rezistor 1 a druhý krystalový rezonátor 3, sériově propojený s druhým dolaďovacím kondenzátorem 16. Společný uzel prvního rezistoru 1 a druhého dolaďovacího kondenzátoru 16 je připojen k prvnímu vývodu napěťově závislého nelineárního rezistoru 13, který vykazuje při nárůstu napětí nárůst odporu, a který je druhým vývodem připojen k první svorce 71 nesymetrického vinutí transformátoru 7, na které je stejná fáze signálu jako na první svorce 73 symetrického vinutí, která je připojena ke kolektoru prvního bipolárního tranzistoru 5. Druhá svorka 72 nesymetrického vinutí transformátoru 7 je uzemněna, tedy je propojena se zemní svorkou 21. Mezi zemní svorku 21 a první vývod napěťově závislého nelineárního rezistoru 13 je dále zapojen lineární rezistor 17. K diagonále Wheatstoneova můstku, k uzlu mezi prvním rezistorem 1 a prvním dolaďovacím kondenzátorem 15 a uzlu mezi druhým rezistorem 4 a druhým krystalovým

I · · rezonátorem 3 jsou připojeny vstupy symetrického zesilovače. K uzlu mezi prvním rezistorem 1 a prvním dolaďovacím kondenzátorem 15 je první svorkou připojen první oddělovací kondenzátor 8, k jehož druhé svorce je připojen bází první bipolární tranzistor 5. K uzlu mezi druhým rezistorem 4 a druhým krystalovým rezonátorem 3 je první svorkou připojen druhý oddělovací kondenzátor 10. k jehož druhé svorce je připojen bází druhý bipolární tranzistor 6. Emitor prvního bipolárního tranzistoru 5 je pres první impedancí 9, jejíž velikost je několik set Ohmů, propojen se zemní svorkou 21 zařízení. Emitor druhého bipolárního tranzistoru 6 je přes druhou impedanci 11, jejíž velikost je několik set Ohmů, rovněž propojen se zemní svorkou 21 zařízení. Mezi emitory prvního bipolárního tranzistoru 5 a druhého bipolárního tranzistoru 6 je zapojena sériová kombinace třetího oddělovacího kondenzátoru 14 a zpětnovazební impedance 18, tvořené například rezistorem. Kolektory prvního bipolárního tranzistoru 5 a druhého bipolárního tranzistoru 6 jsou propojeny s první svorkou 73 a s druhou svorkou 74 symetrického vinutí transformátoru 7, mezi kterými je dále zapojen třetí dolaďovací kondenzátor 12, který dolaďuje toto vinutí do rezonance na pracovní frekvenci oscilátoru. Střední svorka 75 symetrizačního vinutí 7 je propojena se svorkou 20 pro přívod napájecího napětí, která je se zemní svorkou 21 propojena přes blokovací kondenzátor 19. Mezi svorku 20 pro přívod napájecího napětí a zemní svorku 21 je dále zapojen první odporový dělič tvořený třetím rezistorem 22 a čtvrtým rezistorem 23, jejichž společná svorka, na které je napětí odpovídající svou velikostí napětí báze prvního bipolárního tranzistoru 5 ve zvoleném pracovním bodě, je propojena s bází tohoto prvního bipolárního tranzistoru 5. Analogicky mezi svorku 20 pro přívod napájecího napětí a zemní svorku 21 je dále zapojen druhý odporový dělič tvořený pátým rezistorem 24 a šestým rezistorem 25, jejichž společná svorka, na které je napětí odpovídající svou velikostí napětí báze druhého bipolárního tranzistoru 6 ve zvoleném pracovním bodě, je propojena s bází tohoto druhého bipolárního tranzistoru 6. Unilateralizační obvod zesilovače je realizován prvním unilateralizačním dvojpólem, který je tvořen sériovým spojením prvního unilateralizačního kondenzátoru 26 a prvního unilateralizačního rezistoru 27, které jsou propojeny mezi bázi prvního bipolárního tranzistoru 5 a kolektor druhého bipolárního tranzistoru 6, a druhým unilateralizačním dvojpólem, který je tvořen sériovým spojením druhého unilateralizačního kondenzátoru 28 a druhého unilateralizačního rezistoru 29, které jsou propojeny mezi bázi druhého bipolárního tranzistoru 6 a kolektor prvního bipolárního tranzistoru 5.

V provozu zařízení je signál z nesymetrického vinutí transformátoru 7 přiváděn přes napěťově závislý dělič, tvořený napěťově závislým nelineárním rezistorem 13 a lineárním rezistorem 17, na vstupní diagonálu Wheatstoneova můstku do uzlu mezi první rezistor 1 a větev s druhým krystalovým rezonátorem 3. Můstek pracuje jako selektivní obvod a jeho přenosová funkce určuje pracovní frekvenci oscilátoru. Výstupní signál je odebírán z druhé diagonály můstku. Je optimální, pokud jsou první krystalový rezonátor 2 a druhý krystalový rezonátor 3 v můstku shodné a rovněž tak i první rezistor 1 a druhý rezistor 4 v můstku jsou shodné. Odpor prvního rezistoru 1 a druhého rezistoru 4 mírně převyšuje hodnotu efektivního sériového odporu prvního krystalového rezonátoru 2 a druhého krystalového rezonátoru 3 na rezonančním kmitočtu. V důsledku toho je napětí mezi uzlem vytvořeným mezi větví s druhým krystalovým rezonátorem 3 a větví s druhým rezistorem 4 a uzlem mezi větví s prvním krystalovým rezonátorem 2 a větví s prvním rezistorem 1 ve fázi s napětím přiváděným na můstek a hodnota tohoto napětí je maximální právě jen pro signál, jehož frekvence je rovna sériové rezonanční frekvenci obou větví můstku, ve kterých jsou umístěny krystalové rezonátory 2 a 3 . Výstupní signál z můstku je dále veden přes první oddělovací kondenzátor 8 na bázi prvního bipolárního tranzistoru 5 a přes druhý oddělovací kondenzátor 10 na bázi druhého bipolárního tranzistoru 6. První bipolární tranzistor 5 a druhý bipolámí tranzistor 6 pracují společně se symetrizačním transformátorem 7 jako symetrický diferenciální zesilovač. Výstupním signálem zesilovače je zesílené rozdílové napětí mezi bázemi prvního bipolárního tranzistoru 5 a druhého bipolárního tranzistoru 6 a soufázová napětí, která se společně na jejich bázích vyskytují, mají na výstupní signál zesilovače vliv minimální. Výstupní signál je odebírán z nesymetrického vinutí symetrizačního transformátoru 7, které je propojeno se vstupní diagonálou Wheatstoneova můstku. Tím je vytvořena zpětnovazební smyčka, ve které na shodném rezonančním kmitočtu větví můstku, ve kterých jsou umístěny první krystalový rezonátor 2 a druhý krystalový rezonátor 3, a který je velmi blízký rezonančnímu kmitočtu nebo kmitočtům obou krystalových oscilátorů 2 a 3 vzniká kladná zpětná vazba a při nastavení přenosu ve smyčce na jednotkovou hodnotu je stabilně generován požadovaný signál. Nastavení tohoto kmitočtu ve větvi s prvním krystalovým rezonátorem 2 se provede prvním dolaďovacím kondenzátorem 15 a ve větvi s druhým krystalovým rezonátorem 3 je provedeno druhým dolaďovacím kondenzátorem 16.

i f a * ♦ » » t » * * » * « t i · * » * .'· ·*·

K zajištění stability úrovně i frekvence generovaného signálu slouží napěťově závislý dělič tvořený napěťově závislým nelineárním rezistorem 13, který vykazuje při nárůstu napětí nárůst odporu a pracuje tak, že hodnota odporu je závislá na efektivní hodnotě přivedeného střídavého napětí, ale zůstává konstantní během periody, a lineárním rezistorem 17. Nárůstem hodnoty napěťově závislého nelineárního rezistoru 13 při vzrůstu úrovně zpracovávaného signálu dochází ke snížení přenosu napěťově závislého děliče napětí. Tak je celkové zesílení ve zpětnovazební smyčce tvořené symetrickým zesilovačem, Wheatstoneovým můstkem a napěťově závislým děličem napětí automaticky nastavováno na jednotkovou hodnotu a úroveň generovaného signálu je stabilní, bez případných nárůstů nebo poklesů.

Pracovní body prvního bipolárního tranzistoru 5 a druhého bipolámího tranzistoru 6 jsou nastaveny odporovými děliči ze dvou rezistorú, které jsou připojeny mezi svorku 20 pro přívod napájecího napětí a zemní svorku 21 a jejichž společná svorka je propojena s bází příslušného bipolárního tranzistoru. První odporový dělič tvořený třetím rezistorem 22 a čtvrtým rezistorem 23, je propojen s bází prvního bipolámího tranzistoru S^druhý odporový dělič tvořený pátým rezistorem 24 a šestým rezistorem 25, je propojen s bází druhého bipolárního tranzistoru 6.

Unilateralizace je volbou hodnot prvního unilateralizačního kondenzátoru 26 a druhého unilateralizačního kondenzátoru 28 a prvního unilateralizačního rezistoru 27 a druhého unilateralizačního rezistoru 29 nastavena tak, aby na bázi prvního bipolárního tranzistoru 5 byl z výstupního obvodu zesilovače přiváděn stejně velký proud a v opačné fázi, jako je na bázi prvního bipolárního tranzistoru 5 z výstupního obvodu přiváděn přes vnitřní zpětnovazební impedanci mezi bází a kolektorem prvního bipolárního tranzistoru 5, a aby na bázi druhého bipolárního tranzistoru 6 byl z výstupního obvodu zesilovače přiváděn stejně velký proud a v opačné fázi, jako je na bázi druhého bipolárního tranzistoru 6 z výstupního obvodu přiváděn přes vnitřní zpětnovazební impedanci mezi bází a kolektorem druhého bipolárního tranzistoru 6. Tak je potlačen zpětný přenos zesilovače a je minimalizován i vliv možných změn zesílení zesilovače na frekvenci oscilátoru.

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle předkládaného řešeni je využitelné všude, kde je potřeba vyrobit vysokofrekvenční signál s konstantní frekvencí, pro kterou jsou k dispozici krystalové rezonátory a který má vykazovat vysokou spektrální čistotu má] a být frekvenčně stabilní. Zařízení z hlediska spektrální čistoty signálu dává lepší výsledky než špičková publikovaná zařízení a je značně jednodušší a lacinější.

> 4 » i

I

Wheatstoneův můstek

Claims (2)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Můstkový krystalový oscilátor, jehož základem je zapojený ve zpětnovazební smyčce mezi vstup a výstup symetrického zesilovače, kde tento můstkový krystalový oscilátor obsahuje obvod pro řízení zesílení a kde Wheatstoneův můstek má ve dvou protilehlých větvích zapojen první rezistor (1) a druhý rezistor (4) a druhé dvě větve obsahují protilehle zapojený první krystalový rezonátor (2) a druhý krystalový rezonátor (3), kde společný uzel větví s prvním krystalovým rezonátorem (2) a druhým rezistorem (4) je spojen se zemní svorkou (21) a společný uzel zbývajících dvou větví je propojen s první svorkou (71) nesymetrického vinutí symetrizačního transformátoru (7), jehož druhá svorka (72) je propojena se zemní svorkou (21), k diagonále Wheatstonova můstku, a to ke společnému uzlu větví s prvním rezistorem (1) a s prvním krystalovým rezonátorem (2) a ke společnému uzlu větví s druhým rezistorem (4) a druhým krystalovým rezonátorem (3), který má shodný rezonanční kmitočet jako první krystalový rezonátor, jsou připojeny přes první oddělovací kondenzátor (8) a přes druhý oddělovací kondenzátor (10) vstupy symetrického zesilovače tvořeného prvním bipolárním tranzistorem (5) a druhým bipolárním tranzistorem (6) s první impedancí (9) a druhou impedancí (11) zapojenou mezi příslušný emitor a zemní svorku (21) a s třetím oddělovacím kondenzátorem (14) mezi emitory a majícími mezi kolektory zapojen dolaďovací kondenzátor (12), jehož konce jsou zároveň připojeny mezi první a druhou svorku (73, 74) symetrického vinutí symetrizačního transformátoru (7) kde první svorka (73) symetrického vinutí symetrizačního transformátoru (7) má stejnou fází signálu jako je na první svorce (71) nesymetrického vinutí symetrizačního transformátoru (7) a druhá svorka (74) symetrického vinutí symetrizačního transformátoru (7) má opačnou fázi signálu než je na první svorce (71) nesymetrického vinutí symetrizačního transformátoru (7), přičemž střední svorka (75) symetrického vinutí je propojen* se svorkou (21) přívodu napájecího napětí, která je propojena se zemní svorkou (21) přes první blokovací kondenzátor (2^), vyznačující se tím, že ve větvi Wheatstoneova můstku s prvním krystalovým rezonátorem (2) je v sérii s ním zapojen první dolaďovací kondenzátor (15) a ve větvi s druhým krystalovým rezonátorem (3) t « i · *

I je v sérii s ním zapojen druhý dolaďovací kondenzátor (16), přičemž obvod pro řízení zesílení je tvořen jednak lineárním rezistorem (17), který je zapojen jedním koncem ke společnému uzlu větve s prvním krystalovým rezonátorem (2) a větve s druhým rezistorem (4) a druhým koncem ke společnému uzlu větve s druhým krystalovým rezonátorem (3) a větve s prvním rezistorem (1) a jednak napěťově závislým nelineárním rezistorem (13), který je připojen mezi tento druhý konec lineárního rezistoru (17) a první svorku nesymetrického vinutí (71) symetrizačního transformátoru (7) a dále je mezi svorku (£4) pro přívod napájecího napětí a zemní svorku (21) zapojen jednak první odporový dělič tvořený třetím rezistorem (22) a čtvrtým rezistorem (23), jejichž společná svorka je propojena s bází prvního tranzistoru (5) a jednak druhý odporový dělič tvořený pátým rezistorem (24) a šestým rezistorem (25), jejichž společná svorka je propojena s bází druhého tranzistoru (6), přičemž symetrický zesilovač je opatřen unilateralizačním obvodem, který je realizován prvním unilateralizačním dvojpólem tvořeným sériovým spojením unilateralizačního kondenzátoru (26) a prvního unilateralizačního (27) zapojeným mezi bázi prvního tranzistoru (5) a kolektor tranzistoru (6) a druhým unilateralizačním dvojpólem, který je tvořen spojením druhého unilateralizačního kondenzátoru (28) a unilateralizačního rezistoru (29) zapojeným mezi bázi druhého tranzistoru (6) a kolektor prvního tranzistoru (5) a obvodem záporné zpětné vazby, který je tvořen zpětnovazební impedancí (18), která je zapojena mezi třetí oddělovací kondenzátor (14) a emitor tranzistoru (6).

2. Můstkový krystalový oscilátor podle nároku 1, vyznačující se tím,že první krystalový rezonátor (2) a druhý krystalový rezonátor (3) jsou shodné a rovněž y tak je shodný první rezistor (1) a druhý rezistori(4).

A prvního rezistoru druhého sériovým druhého