RU2132590C1

RU2132590C1 - Quartz oscillator

Info

Publication number: RU2132590C1
Application number: RU98107596/09A
Authority: RU
Inventors: В.Г. Прокопенко
Original assignee: Прокопенко Вадим Георгиевич
Priority date: 1998-04-20
Filing date: 1998-04-20
Publication date: 1999-06-27

Abstract

FIELD: radio engineering, in particular, compact radio electronic equipment. SUBSTANCE: device has transistors, amplification gate, total impedance gate, quartz resonator, power supply, current reflectors. Goal of invention is achieved by introduced transistors, power supply, capacitors and bias circuit, as well altered connections in oscillator circuit. This results in linear low-signal operations of amplification gate, which provides minimal inertia and decreases frequency stabilization distortion in this mode. EFFECT: increased frequency stabilization. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования в качестве высокостабильного источника опорной частоты в составе экономичной малогабаритной радиоэлектронной аппаратуры
Известен кварцевый генератор (Пат. США N 4571558, кл. H 03 B 5/36), содержащий кварцевый резонатор, первый вывод которого заземлен, а второй через конденсатор подключен к внешнему выводу активной части генератора, образованной дифференциальным усилителем на первом и втором транзисторах, охваченном цепью положительной обратной связи выполненной на третьем, четвертом и пятом транзисторах.The invention relates to radio engineering and is intended for use as a highly stable reference frequency source as part of an economical small-sized electronic equipment
Known crystal oscillator (US Pat. US N 4571558, class. H 03 B 5/36), containing a crystal, the first output of which is grounded, and the second through a capacitor connected to the external output of the active part of the generator formed by a differential amplifier on the first and second transistors, covered by a positive feedback circuit performed on the third, fourth and fifth transistors.

Также известен кварцевый генератор (Пат. США N 4065728, кл. H 03 B 5/36), в котором кварцевый резонатор включен между входом двухтактного повторителя тока на первом и втором транзисторах, включенных по схеме с общей базой, и выходом двухтактного повторителя напряжения на третьем и четвертом транзисторах, включенных по схеме с общим коллектором, на базы которых подаются напряжения с коллекторных нагрузок первого и второго транзисторов, соответственно. A crystal oscillator is also known (US Pat. US N 4065728, class H 03 B 5/36), in which the crystal is connected between the input of a push-pull current follower on the first and second transistors connected according to a common base circuit and the output of a push-pull voltage follower on the third and fourth transistors connected according to the scheme with a common collector, the bases of which are supplied with voltage from the collector loads of the first and second transistors, respectively.

Недостатком этих кварцевых генераторов является повышенная нестабильность частоты, обусловленная зависимостью эквивалентного отрицательного сопротивления активной части генератора в точках подключения кварцевого резонатора от параметров усилительных транзисторов, а также тем, что эти транзисторы работают в существенно нелинейном режиме. The disadvantage of these crystal oscillators is the increased frequency instability due to the dependence of the equivalent negative resistance of the active part of the generator at the connection points of the crystal resonator on the parameters of the amplifying transistors, as well as the fact that these transistors operate in a substantially nonlinear mode.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является кварцевый генератор (Пат. РФ N 2079205, кл. H 03 B 5/32), содержащий первый и второй транзисторы, коллекторы которых соединены с входами соответственно первого и второго токовых отражателей, выходы которых соединены и являются выходом кварцевого генератора, третий и четвертый транзисторы, эмиттеры которых соединены с неинвертирующим входом усилительного элемента, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора, второй вывод которого соединен с первым выводом элемента с полным внутренним сопротивлением и общей шиной, база и коллектор третьего транзистора соединены с выходом первого источника тока, общая шина первого токового отражателя соединена с первой шиной питания. The closest in technical essence to the claimed object is a crystal oscillator (Pat. RF N 2079205, class H 03 B 5/32), containing the first and second transistors, the collectors of which are connected to the inputs of the first and second current reflectors, the outputs of which are connected and are the output of the crystal oscillator, the third and fourth transistors, the emitters of which are connected to the non-inverting input of the amplifier element, the inverting input of which is connected to the first terminal of the crystal, the second terminal of which is connected to the first output of the element with total internal resistance and a common bus, the base and collector of the third transistor are connected to the output of the first current source, the common bus of the first current reflector is connected to the first power bus.

Недостатком этого кварцевого генератора является работа усилительного элемента в режиме большого сигнала, что обусловливает повышение его инерционности, снижающее стабильность частоты. The disadvantage of this crystal oscillator is the operation of the amplifying element in the large signal mode, which leads to an increase in its inertia, which reduces the frequency stability.

Целью изобретения является повышение стабильности частоты кварцевого генератора. The aim of the invention is to increase the frequency stability of a crystal oscillator.

Для этого в кварцевый генератор, содержащий первый и второй транзисторы, коллекторы которых соединены с входами соответственно первого и второго токовых отражателей, выходы которых соединены и являются выходом кварцевого генератора, третий и четвертый транзисторы, эмиттеры которых соединены с неинвертирующим входом усилительного элемента, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора, второй вывод которого соединен с первым выводом элемента с полным внутренним сопротивлением и общей шиной, база и коллектор третьего транзистора соединены с выходом первого источника тока, общая шина первого токового отражателя соединена с первой шиной питания, дополнительно введены пятый и шестой транзисторы, эмиттеры которых соединены с первым выводом кварцевого резонатора, база и коллектор пятого транзистора соединены с эмиттером первого транзистора, база и коллектор шестого транзистора соединены с эмиттером второго транзистора, первый конденсатор, включенный между коллекторами четвертого и пятого транзисторов, второй конденсатор, включенный между коллекторами третьего и шестого транзисторов, второй источник тока, выход которого соединен с базой и коллектором четвертого транзистора, схема смещения уровня, вход которой соединен с выходом усилительного элемента, а первый и второй выходы соединены с базами соответственно первого и второго транзисторов, общая шина второго токового отражателя соединена со второй шиной питания, второй вывод элемента с полным внутренним сопротивлением соединен с эмиттером третьего транзистора. To do this, into a crystal oscillator containing the first and second transistors, the collectors of which are connected to the inputs of the first and second current reflectors, the outputs of which are connected and are the output of the crystal oscillator, the third and fourth transistors, the emitters of which are connected to the non-inverting input of the amplifier element, the inverting input of which connected to the first output of the quartz resonator, the second output of which is connected to the first output of the element with total internal resistance and a common bus, base and colle the third transistor is connected to the output of the first current source, the common bus of the first current reflector is connected to the first power bus, an additional fifth and sixth transistor are introduced, the emitters of which are connected to the first output of the quartz resonator, the base and collector of the fifth transistor are connected to the emitter of the first transistor, the base and the collector of the sixth transistor is connected to the emitter of the second transistor, the first capacitor connected between the collectors of the fourth and fifth transistors, the second capacitor connected between the collectors of the third and sixth transistors, the second current source, the output of which is connected to the base and the collector of the fourth transistor, a level bias circuit, the input of which is connected to the output of the amplifying element, and the first and second outputs are connected to the bases of the first and second transistors respectively, the common bus of the second the current reflector is connected to the second power bus, the second terminal of the element with total internal resistance is connected to the emitter of the third transistor.

При этом схема смещения уровня содержит седьмой транзистор, база и коллектор которого соединены с выходом третьего источника тока и являются первым выходом схемы смещения уровня, эмиттер соединен с базой и коллектором восьмого транзистора, эмиттер которого является входом схемы смещения уровня и соединен с эмиттером девятого транзистора, база и коллектор которого соединены с эмиттером десятого транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом четвертого источника тока и являются вторым выходом схемы смещения уровня, первый и второй выходы схемы смещения уровня соединены с ее входом через соответствующие третий и четвертый конденсаторы. Moreover, the level bias circuit includes a seventh transistor, the base and collector of which is connected to the output of the third current source and is the first output of the level bias circuit, the emitter is connected to the base and collector of the eighth transistor, the emitter of which is the input of the level bias circuit and connected to the emitter of the ninth transistor, the base and collector of which are connected to the emitter of the tenth transistor, the base and collector of which are connected to the output of the fourth current source and are the second output of the level bias circuit, the first and the second outputs of the level offset circuit are connected to its input through the corresponding third and fourth capacitors.

Такое построение кварцевого генератора обеспечивает работу усилительного элемента в линейном малосигнальном режиме, в котором он обладает минимальной инерционностью, следовательно, оказывает минимальное дестабилизирующее влияние на частоту генерируемых колебаний. Such a construction of a quartz oscillator ensures the operation of the amplifying element in a linear low-signal mode, in which it has minimal inertia, therefore, has a minimum destabilizing effect on the frequency of the generated oscillations.

Заявляемый кварцевый генератор поясняется фиг. 1, на которой приведена его схема электрическая принципиальная, а также показано распределение токов в схеме генератора при его работе, и фиг. 2, на которой изображена вольт-амперная характеристика активной части кварцевого генератора. The inventive crystal oscillator is illustrated in FIG. 1, which shows its electrical circuit diagram, and also shows the distribution of currents in the generator circuit during its operation, and FIG. 2, which shows the current-voltage characteristic of the active part of the crystal oscillator.

Кварцевый генератор содержит первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4, пятый 5 и шестой 6 транзисторы, усилительный элемент 7, элемент с полным внутренним сопротивлением 8, кварцевый резонатор 9, первый 10 и второй 11 источники тока, первый 12 и второй 13 конденсаторы, первый 14 и второй 15 токовые отражатели, схему смещения уровня 16, а также входящие в ее состав седьмой 17, восьмой 18, девятый 19 и десятый 20 транзисторы, третий 21 и четвертый 22 источники тока, третий 23 и четвертый 24 конденсаторы. The crystal oscillator contains the first 1, second 2, third 3, fourth 4, fifth 5 and sixth 6 transistors, an amplifying element 7, an element with total internal resistance 8, a quartz resonator 9, the first 10 and second 11 current sources, the first 12 and second 13 capacitors, first 14 and second 15 current reflectors, a bias circuit of level 16, as well as transistors seventh 17, eighth 18, ninth 19 and tenth 20, third 21 and fourth 22 current sources, third 23 and fourth 24 capacitors.

Работу кварцевого генератора рассмотрим при следующих допущениях: транзисторы 1, 3, 5, 17, 18 идентичны, также идентичны транзисторы 2, 4, 6, 19, 20, токи базы транзисторов пренебрежимо малы по сравнению с их коллекторными токами, транзисторы работают на частотах много меньших граничной частоты их коэффициента передачи по току в схеме с общей базой, входное сопротивление усилительного элемента и выходное сопротивление источников тока бесконечно велики, сопротивление конденсаторов на рабочей частоте генератора пренебрежимо мало. Let us consider the operation of a crystal oscillator under the following assumptions: transistors 1, 3, 5, 17, 18 are identical, transistors 2, 4, 6, 19, 20 are also identical, base currents of transistors are negligible compared to their collector currents, transistors operate at many frequencies lower than the cutoff frequency of their current transfer coefficient in a circuit with a common base, the input impedance of the amplifier element and the output impedance of the current sources are infinitely large, the resistance of the capacitors at the operating frequency of the generator is negligible.

Первоначально подаются напряжения питания и токи источников тока такой величины, чтобы вывести все транзисторы в активный режим. При этом коллекторные токи транзисторов 17, 18, 19, 20, 1, 5, 6, 2 устанавливаются равными току I₀₁ источников тока 21 и 22, а коллекторные токи транзисторов 3 и 4 - равными току I₀₂ источников тока 10 и 11, и в генераторе возбуждаются автоколебания на частоте последовательного резонанса кварцевого резонатора. При этом ток кварца i_кв, поступающий на вход активной части автогенератора (см. фиг. 1), делится на ток i₁, втекающий в эмиттер транзистора 5, и ток i₂, втекающий в эмиттер транзистора 6, то есть:
i_кв = i₁ + i₂. (1)
В свою очередь токи i₁ и i₂ делятся на токи i₃, i₅ и i₄, i₆ соответственно:
i₁=i₃+i₅; i₂=i₄+i₆. (2)
Токи i₅ и i₆ втекают в эмиттеры транзисторов 1 и 2 и поступают далее на входы токовых отражателей 14 и 15, соответственно. Токи i₃, i₄, протекая через конденсаторы 12, 13 и транзисторы 3, 4, соответственно, поступают на элемент с полным внутренним сопротивлением 8.Initially, supply voltages and currents of current sources of such magnitude are supplied to bring all transistors into active mode. In this case, the collector currents of the transistors 17, 18, 19, 20, 1, 5, 6, 2 are set equal to the current I _{01 of the} current sources 21 and 22, and the collector currents of the transistors 3 and 4 are equal to the current I _{02 of the} current sources 10 and 11, and self-oscillations are excited in the generator at the frequency of the sequential resonance of the quartz resonator. In this case, the quartz current i _kv supplied to the input of the active part of the oscillator (see Fig. 1) is divided by the current i ₁ flowing into the emitter of the transistor 5, and the current i ₂ flowing into the emitter of the transistor 6, that is:
i _q = i ₁ + i ₂ . (1)
In turn, the currents i ₁ and i ₂ are divided into currents i ₃ , i ₅ and i ₄ , i _6, respectively:
i ₁ = i ₃ + i ₅ ; i ₂ = i ₄ + i ₆ . (2)
Currents i ₅ and i ₆ flow into the emitters of transistors 1 and 2 and then go to the inputs of current reflectors 14 and 15, respectively. Currents i ₃ , i ₄ , flowing through capacitors 12, 13 and transistors 3, 4, respectively, are supplied to the element with total internal resistance 8.

Вследствие того, что усилительный элемент 7 охвачен глубокой отрицательной обратной связью через транзисторы 1, 5, 2, 6, напряжения на его входах с высокой точностью поддерживаются одинаковыми. Due to the fact that the amplifying element 7 is covered by deep negative feedback through transistors 1, 5, 2, 6, the voltages at its inputs are kept the same with high accuracy.

Поэтому напряжение в точках подключения кварцевого резонатора равно напряжению на двухполюсном элементе с полным внутренним сопротивлением:
U_аб = Z(i₃ + i₄), (3)
где Z - сопротивление элемента 8, а для переменных составляющих базо-эмиттерных напряжений транзисторов 4, 5 и 3, 6 справедливы следующие соотношения:
U_бэ3 + U_бэ6 = 0; U_бэ4 + U_бэ5. (4)
В силу принятых допущений переменное напряжение между базами транзисторов 1 и 2 равно нулю. Поэтому:
U_бэ1 + U_бэ5 + U_бэ6 + U_бэ2, (5)
где U_бэ1, U_бэ2, U_бэ5, U_бэ6 - переменные составляющие базо-эмиттерных напряжений транзисторов 1, 2, 5 и 6, соответственно.Therefore, the voltage at the connection points of the quartz resonator is equal to the voltage at the bipolar element with full internal resistance:
U _ab = Z (i ₃ + i ₄ ), (3)
where Z is the resistance of element 8, and for the variable components of the base-emitter voltages of transistors 4, 5 and 3, 6, the following relations are true:
U _be3 + U _be6 = 0; U _be4 + U _be5 . (4)
By virtue of the assumptions made, the alternating voltage between the bases of transistors 1 and 2 is zero. Therefore:
U _be1 + U _be5 + U _be6 + U _be2 , (5)
where U _be1 , U _be2 , U _be5 , U _be6 are the variable components of the base-emitter voltages of the transistors 1, 2, 5 and 6, respectively.

Представляя базо-эмиттерные напряжения с помощью уравнения Эберса-Молла и выделяя из них переменные составляющие, приведем соотношения (4), (5) к следующему виду:

или

Система уравнений (1), (2), (3), (6) определяет зависимость напряжения U_аб на входе активной части генератора от тока кварца (вольт-амперную характеристику активной части генератора), которую можно записать в следующем виде:

где

Графическое изображение этой зависимости приведено на фиг. 2, где

Малосигнальное значение отрицательного сопротивления активной части равно:

Так как Z_аб0 и уровень ограничения напряжения в активной части генератора U_m по-разному зависят от токов I₀₁ и I₀₂, эти параметры можно независимо перестраивать путем изменения величины и соотношения данных токов.Representing the base-emitter voltages using the Ebers-Mall equation and extracting the variable components from them, we reduce relations (4), (5) to the following form:

or

The system of equations (1), (2), (3), (6) determines the dependence of the voltage U _ab at the input of the active part of the generator on the quartz current (current-voltage characteristic of the active part of the generator), which can be written in the following form:

Where

A graphical representation of this relationship is shown in FIG. 2 where

The low signal value of the negative resistance of the active part is equal to:

Since Z _ab0 and the level of voltage limitation in the active part of the generator U _m depend on the currents I ₀₁ and I ₀₂ differently, these parameters can be independently tuned by changing the magnitude and ratio of these currents.

Таким образом, данный кварцевый генератор, сохраняя присущую прототипу высокую стабильность вольт-амперной характеристики активной части, а также возможность регулирования ее параметров в широких пределах, выгодно отличается от него тем, что усилительный элемент работает в линейном малосигнальном режиме, чем обеспечивается снижение инерционности активной части генератора, обусловливающее повышение стабильности частоты генерируемых колебаний. Thus, this crystal oscillator, while maintaining the prototype’s high stability of the current-voltage characteristic of the active part, as well as the ability to control its parameters over a wide range, compares favorably with the fact that the amplifying element operates in a linear low-signal mode, thereby reducing the inertia of the active part generator, causing an increase in the stability of the frequency of generated oscillations.

Claims

1. A crystal oscillator containing the first and second transistors, the collectors of which are connected to the inputs of the first and second current reflectors, the outputs of which are connected and are the output of the crystal oscillator, the third and fourth transistors, the emitters of which are connected to the non-inverting input of the amplifier element, the inverting input of which is connected with the first output of the quartz resonator, the second output of which is connected to the first output of the element with total internal resistance and a common bus, the base and collector are one third its transistor is connected to the output of the first current source, the common bus of the first current reflector is connected to the first power bus, characterized in that the fifth and sixth transistors are introduced into it, the emitters of which are connected to the first output of the quartz resonator, the base and collector of the fifth transistor are connected to the emitter the first transistor, the base and the collector of the sixth transistor are connected to the emitter of the second transistor, the first capacitor connected between the collectors of the fourth and fifth transistors, the second condensate OP connected between the collectors of the third and sixth transistors, a second current source whose output is connected to the base and the collector of the fourth transistor, a level bias circuit whose input is connected to the output of the amplifier element, and the first and second outputs are connected to the bases of the first and second transistors, respectively the common bus of the second current reflector is connected to the second power bus, the second terminal of the element with total internal resistance is connected to the emitter of the third transistor.

2. The generator according to claim 1, characterized in that the level bias circuit comprises a seventh transistor, the base and collector of which are connected to the output of the third current source and are the first output of the level bias circuit, the emitter is connected to the base and collector of the eighth transistor, the emitter of which is the input level shifting circuit and is connected to the emitter of the ninth transistor, the base and collector of which are connected to the emitter of the tenth transistor, the base and collector of which are connected to the output of the fourth current source and are the second output level shifting circuit, the first and second outputs of the level shifting circuit are connected to its input through the corresponding third and fourth capacitors.