RU2439775C1 - High-frequency quartz oscillator - Google Patents
High-frequency quartz oscillator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2439775C1 RU2439775C1 RU2010129757/08A RU2010129757A RU2439775C1 RU 2439775 C1 RU2439775 C1 RU 2439775C1 RU 2010129757/08 A RU2010129757/08 A RU 2010129757/08A RU 2010129757 A RU2010129757 A RU 2010129757A RU 2439775 C1 RU2439775 C1 RU 2439775C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- capacitor
- transistor
- parallel
- common bus
- bus
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к области радиотехники, а именно к высокочастотным кварцевым генераторам, и может быть использовано в качестве устройства для формирования опорных сигналов гетеродинов когерентных радиолокационных станций сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн.The invention relates to the field of radio engineering, namely to high-frequency quartz oscillators, and can be used as a device for generating reference signals of local oscillators of coherent radar stations of the centimeter and millimeter wavelength ranges.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
Известен высокочастотный кварцевый генератор, содержащий усилитель с обратной связью, состоящей из кварцевого резонатора с SC-срезом и цепи согласования входного сопротивления усилителя с эквивалентным сопротивлением кварцевого резонатора (патент США №4843349).Known high-frequency quartz oscillator containing a feedback amplifier, consisting of a quartz resonator with an SC-cut and a matching circuit of the input impedance of the amplifier with the equivalent resistance of the quartz resonator (US patent No. 4843349).
Известен кварцевый генератор с низким уровнем фазовых шумов, работающий на пятой механической гармонике резонатора с SC-срезом (McClelland Т. et al. "100 MHz crystal oscillator with extremely low phase noise". Proc. of 1999 Joint Meeting EFTF - IEEE International Frequency Control Symposium, pp.331-334).A known low phase noise crystal oscillator operating at the fifth mechanical harmonic of a SC cutoff resonator (McClelland T. et al. "100 MHz crystal oscillator with extremely low phase noise." Proc. Of 1999 Joint Meeting EFTF - IEEE International Frequency Control Symposium, pp. 313-334).
Известен высокочастотный кварцевый генератор, выполненный с умножением на три частоты пятой механической гармоники кварцевого резонатора (патент США №5223801).Known high-frequency quartz oscillator, made with multiplication by three frequencies of the fifth mechanical harmonic of a quartz resonator (US patent No. 5223801).
Известен высокочастотный каскодный кварцевый генератор с повышенным отрицательным сопротивлением цепи обратной связи (Takehiko A. et al. "A High Frequency Cascode Oscillator with Negative Resistance Enhancement Circuit and Its Analysis". Division of Electrical and Computer Engineering. Yokohama National University. Proc. of 2005 IEEE International Frequency Control Symposium, pp.522-525).Known high-frequency cascode oscillator with increased negative resistance of the feedback circuit (Takehiko A. et al. "A High Frequency Cascode Oscillator with Negative Resistance Enhancement Circuit and Its Analysis". Division of Electrical and Computer Engineering. Yokohama National University. Proc. Of 2005 IEEE International Frequency Control Symposium, pp. 522-525).
Известен высокочастотный кварцевый генератор, содержащий два каскада на транзисторах, один из которых выполнен с общей базой, а другой - с общим коллектором, с кварцевым резонатором, включенным между эмиттерами транзисторов (патент на изобретение РФ №2319285).Known high-frequency quartz oscillator containing two stages on transistors, one of which is made with a common base, and the other with a common collector, with a quartz resonator connected between the emitters of transistors (patent for the invention of the Russian Federation No. 2319285).
Известна модификация высокочастотного кварцевого генератора по схеме Батлера на кварцевом резонаторе 100 МГц SC-среза с низким уровнем фазовых шумов и двумя буферными каскадами (Sakamoto К. et al. "Development of ultra low noise VHF OCXO with excellent temperature stability". Proc. of 2008 IEEE International Frequency Control Symposium, pp.565-568).A known modification of the high-frequency quartz oscillator according to the Butler scheme on a 100 MHz quartz resonator SC-cut with low phase noise and two buffer stages (Sakamoto K. et al. "Development of ultra low noise VHF OCXO with excellent temperature stability". Proc. Of 2008 IEEE International Frequency Control Symposium, pp. 565-568).
Общим недостатком вышеупомянутых кварцевых генераторов является их недостаточная высокочастотность. Следствием недостаточно высокой частоты сигнала задающего генератора являются неудовлетворительная чистота спектра сигнала гетеродина вследствие прохождения слишком часто расположенных спектральных составляющих опорного колебания задающего генератора сквозь фильтры тракта гетеродина. Еще одним следствием недостаточно высокой частоты задающего генератора является чрезмерно высокая кратность умножения частоты опорного колебания автогенератора, поднимающая уровень спектральной плотности мощности его фазовых шумов G(f) на величину 201g(N), где N - коэффициент умножения частоты опорного колебания, f - частота отстройки от номинальной частоты сигнала F.A common disadvantage of the aforementioned crystal oscillators is their lack of high frequency. The consequence of the insufficiently high frequency of the signal of the master oscillator is the unsatisfactory purity of the spectrum of the local oscillator signal due to the passage of too often the spectral components of the reference oscillation of the master oscillator through the filters of the local oscillator path. Another consequence of the insufficiently high frequency of the master oscillator is the excessively high frequency multiplication of the frequency of the reference oscillation of the oscillator, raising the spectral power density of its phase noise G (f) by 201g (N), where N is the coefficient of multiplication of the frequency of the reference oscillation, f is the tuning frequency from the nominal frequency of the signal F.
Одна из задач настоящего изобретения состоит в получении спектрально-чистого сигнала гетеродина сантиметрового или миллиметрового диапазона длин волн, который при этом обладает низкой и определенным образом распределенной по оси частот спектральной плотностью мощности фазовых шумов G(f) в заданном диапазоне отстроек анализируемой частоты f от частоты сигнала F, то есть низкой и определенным образом распределенной по оси времени кратковременной нестабильностью частоты dF в заданном диапазоне временных интервалов Т (интервалов когерентности сигналов гетеродина и радиолокационной станции в целом).One of the objectives of the present invention is to obtain a spectrally pure local oscillator signal of the centimeter or millimeter wavelength range, which at the same time has a low and definitely distributed spectral power density of phase noise power G (f) along a frequency axis in a given range of detunings of the analyzed frequency f from frequency signal F, i.e., a low and in a certain way distributed along the time axis short-term frequency instability dF in a given range of time intervals T (coherent intervals awns heterodyne signals and radar station in general).
Известен высокочастотный кварцевый генератор, который, как показано на фиг.1, содержит кварцевый резонатор 5, один из выводов которого подключен к эмиттеру первого транзистора 3, подключенному к последовательному соединению резисторов, первого 2 и второго 4, точка соединения которых подключена к общей шине через первый конденсатор 1. База первого транзистора 3 подключена к общей шине. Коллектор первого транзистора 3 подключен к общей шине через параллельное соединение первой катушки индуктивности 6 с последовательным соединением конденсаторов, третьего 8 и четвертого 9, к общей точке которых подключен другой вывод кварцевого резонатора 5, первый затвор второго транзистора 15 и третий резистор 10, другой вывод которого подключен к общей шине. Второй затвор второго транзистора 15 подключен к общей точке последовательного соединения резисторов, четвертого 13, другим выводом подключенного к шине питания положительной полярности, и пятого 14, другим выводом подключенного к общей шине, параллельно которому включен пятый конденсатор 12. Исток второго транзистора 15 подключен к общей шине через шестой резистор 18, параллельно которому включен шестой конденсатор 16, а в цепи его стока включено параллельное соединение второй катушки индуктивности 17 и последовательного соединения двух конденсаторов, седьмого 19 и восьмого 20, общая точка которых подключена к базе третьего транзистора 23 и через седьмой резистор 21 соединена с общей шиной. В цепь коллектора третьего транзистора 23 включено параллельное соединение третьей катушки индуктивности 24 и последовательно соединенных конденсаторов, девятого 25 и десятого 26, точка соединения которых является выходным выводом генератора, а в цепь эмиттера включено восьмое сопротивление 22, подключенное к шине питания положительной полярности. Шина питания положительной полярности подключена к входу стабилизатора напряжения 11. Между шиной питания положительной полярности и общей шиной включен одиннадцатый конденсатор 27, между выходом стабилизатора напряжения 11 и общей шиной включен второй конденсатор 7. Также к выходу стабилизатора напряжения 11 подключен другой вывод второго резистора 4 (Silaev E., Bogomolov D. "Low Noise Ovenized Quartz Oscillator". Proc. of 1998 IEEE International Frequency Control Symposium, pp.349-352, принятый за прототип).A high-frequency quartz oscillator is known, which, as shown in FIG. 1, contains a quartz resonator 5, one of the terminals of which is connected to the emitter of the
Недостаток прототипа, препятствующий достижению нижеупомянутого технического результата, состоит в том, что в нем невозможно одновременно установить оптимальное значение коэффициента обратной связи автогенератора koc и оптимальное значение коэффициента связи автогенератора с буферным усилителем kcв, так как в прототипе коэффициенты koс и kсв определяются соотношением емкостей конденсаторов, второго 8 и третьего 9, то есть равны друг другу, следовательно, оптимизировать можно только один из коэффициентов.The disadvantage of the prototype that impedes the achievement of the following technical result is that it is impossible to simultaneously establish the optimal value of the feedback coefficient of the oscillator k oc and the optimal value of the coupling coefficient of the generator with a buffer amplifier k cv , since in the prototype the coefficients k oс and k St. are determined the ratio of capacitances of the capacitors, the second 8 and the third 9, that is, they are equal to each other, therefore, only one of the coefficients can be optimized.
Еще один недостаток прототипа состоит в том, что в нем установка нулевого напряжения смещения на первом затворе полевого транзистора буферного усилителя посредством резистора 10 достигается за счет снижения приведенной добротности колебательной системы кварцевого автогенератора, так как согласно приближенной формуле приведенной добротности кварцевого автогенератора:Another disadvantage of the prototype is that it sets the zero bias voltage on the first gate of the field-effect transistor of the buffer amplifier by means of a
Qпр=Qк/(1+R2/RΣ+R10/RΣ),Q ave = Q k / (1 + R 2 / R Σ + R 10 / R Σ),
где Qк - добротность кварцевого резонатора на k-ой механической гармонике, R2 - сопротивление первого резистора, R10 - сопротивление третьего резистора,where Q to is the quality factor of the quartz resonator at the k-th mechanical harmonic, R 2 is the resistance of the first resistor, R 10 is the resistance of the third resistor,
RΣ=Rк+R2+R10,R Σ = R k + R 2 + R 10 ,
где Rк - эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора на k-ой механической гармонике, сопротивление резистора 10 должно быть минимальным, а в соответствии с функцией, которую вынужденно выполняет резистор 10 в качестве шунтирующего входное сопротивление второго транзистора 15 по цепи первого затвора, оно не должно быть слишком малым.where R k is the equivalent resistance of the quartz resonator at the kth mechanical harmonic, the resistance of the
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Первая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы повысить частоту выходного сигнала предлагаемого кварцевого генератора по сравнению с прототипом. Вторая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы уменьшить спектральные плотности мощности фазовых и амплитудных шумов автогенератора на входе буферного усилителя по сравнению с прототипом. Третья задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы при сохранении приведенной добротности автогенератора повысить мощность сигнала на выходе автогенератора по сравнению с прототипом (то есть улучшить отношение сигнал/шум на входе буферного усилителя).The first objective of the present invention is to increase the frequency of the output signal of the proposed crystal oscillator compared with the prototype. The second objective of the present invention is to reduce the spectral power density of the phase and amplitude noise of the oscillator at the input of the buffer amplifier compared with the prototype. The third objective of the present invention is to maintain the signal quality factor of the oscillator to increase the signal power at the output of the oscillator compared to the prototype (that is, to improve the signal-to-noise ratio at the input of the buffer amplifier).
Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении частоты выходного сигнала при одновременном снижении спектральной плотности мощности как фазовых, так и амплитудных шумов кварцевого автогенератора на входе буферного усилителя и повышении мощности сигнала на выходе автогенератора.The technical result of the proposed solution is to increase the frequency of the output signal while reducing the power spectral density of both phase and amplitude noise of the quartz oscillator at the input of the buffer amplifier and increasing the signal power at the output of the oscillator.
Данный технический результат достигается за счет повышения предельно достижимой частоты осцилляторных колебаний кварцевого автогенератора на первом транзисторе, за счет независимого выбора оптимального коэффициента обратной связи автогенератора и оптимального коэффициента связи автогенератора с буферным усилителем, а также за счет умножения частоты на третьем транзисторе и фильтрации субгармоник опорного колебания на ранней стадии его формирования.This technical result is achieved by increasing the maximum achievable frequency of oscillatory oscillations of the quartz oscillator on the first transistor, by independently selecting the optimal feedback coefficient of the oscillator and the optimal coupling coefficient of the oscillator with a buffer amplifier, as well as by multiplying the frequency on the third transistor and filtering the subharmonics of the reference oscillation at an early stage of its formation.
Вышеуказанные технические задачи решены благодаря тому, что заявленный высокочастотный кварцевый генератор, так же как и прототип, содержит кварцевый резонатор, один из выводов которого подключен к эмиттеру первого транзистора, подключенному к выходу стабилизатора напряжения положительной полярности через последовательное соединение резисторов, четвертого и пятого, общая точка которых соединена с общей шиной первым конденсатором, коллектор первого транзистора соединен с общей шиной через первую катушку индуктивности; второй транзистор, первый затвор которого подключен к общей шине через шестой резистор, второй затвор второго транзистора подключен к делителю напряжения, состоящему из седьмого резистора, подключенному к шине питания положительной полярности и параллельного соединения восьмого резистора с девятым конденсатором, подключенного к общей шине, исток второго транзистора подключен к общей шине через параллельное соединение девятого резистора и десятого конденсатора, сток второго транзистора подключен к шине питания положительной полярности через параллельное соединение третьей катушки индуктивности и последовательного соединения одиннадцатого и тринадцатого конденсаторов; третий транзистор, база которого подключена к общей точке одиннадцатого и тринадцатого конденсаторов и через десятый резистор подключена к общей шине, а коллектор подключен к общей шине через параллельное соединение шестой катушки индуктивности с последовательным соединением конденсаторов, семнадцатого и девятнадцатого; двадцать третий конденсатор, включенный между шиной питания положительной полярности и общей шиной; стабилизатор напряжения положительной полярности, корпусным выводом подключенный к общей шине, входом подключенный к шине питания положительной полярности, а выходом подключенный к пятому конденсатору, другой вывод которого подключен к общей шине, при этом вышеупомянутые задачи решены, а технический результат достигнут благодаря тому, что, в отличие от прототипа, в заявленном высокочастотном кварцевом генераторе параллельно первой катушке индуктивности включено последовательное соединение шестого, седьмого и восьмого конденсаторов, параллельно которому включен подстроечный четвертый конденсатор, другой вывод кварцевого резонатора подключен к общей точке седьмого и восьмого конденсаторов, первый затвор второго транзистора подключен к общей точке шестого и седьмого конденсаторов, база первого транзистора через третий конденсатор подключена к общей шине, а через третий резистор - к средней точке последовательного соединения первого резистора, другим выводом подключенного к шине питания положительной полярности, и второго резистора, другим выводом подключенного к общей шине и зашунтированного по переменному току вторым конденсатором.The above technical problems are solved due to the fact that the claimed high-frequency quartz oscillator, like the prototype, contains a quartz resonator, one of the terminals of which is connected to the emitter of the first transistor, connected to the output of a voltage regulator of positive polarity through a series connection of resistors, the fourth and fifth, common the point of which is connected to the common bus by the first capacitor, the collector of the first transistor is connected to the common bus through the first inductor; the second transistor, the first gate of which is connected to the common bus through the sixth resistor, the second gate of the second transistor is connected to the voltage divider, consisting of the seventh resistor, connected to the power bus of positive polarity and parallel connection of the eighth resistor with the ninth capacitor connected to the common bus, the source of the second the transistor is connected to the common bus through a parallel connection of the ninth resistor and the tenth capacitor, the drain of the second transistor is connected to the power bus positive polar through a parallel connection of the third inductor and the series connection of the eleventh and thirteenth capacitors; the third transistor, the base of which is connected to the common point of the eleventh and thirteenth capacitors and through the tenth resistor is connected to a common bus, and the collector is connected to the common bus through a parallel connection of the sixth inductor with a series connection of capacitors, seventeenth and nineteenth; a twenty-third capacitor connected between a positive polarity power bus and a common bus; a positive polarity voltage regulator, with a chassis terminal connected to a common bus, an input connected to a positive polarity power bus, and an output connected to a fifth capacitor, the other terminal of which is connected to a common bus, while the above problems are solved, and the technical result is achieved due to the fact that, in contrast to the prototype, in the claimed high-frequency quartz oscillator, a series connection of the sixth, seventh and eighth capacitors is included in parallel with the first inductor parallel to which the tuning fourth capacitor is connected, the other output of the quartz resonator is connected to the common point of the seventh and eighth capacitors, the first gate of the second transistor is connected to the common point of the sixth and seventh capacitors, the base of the first transistor is connected to the common bus through the third capacitor, and through the third resistor to the midpoint of the series connection of the first resistor, the other terminal connected to the power bus of positive polarity, and the second resistor, the other terminal connected to the common bus and shunted by alternating current by the second capacitor.
Формулу приведенной добротности заявленного кварцевого автогенератора можно представить в видеThe formula of the quality factor of the declared quartz oscillator can be represented in the form
Qпр=Qк/(1+R2/RΣ+R10пр/RΣ),Q ave = Q k / (1 + R 2 / R Σ + R 10pr / R Σ),
где Qк - добротность кварцевого резонатора на k-ой механической гармонике, R2 - сопротивление четвертого резистора,where Q to is the quality factor of a quartz resonator at the k-th mechanical harmonic, R 2 is the resistance of the fourth resistor,
RΣ=Rк+R2+R10пр,R Σ = R to + R 2 + R 10pr ,
где Rк - эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора на k-ой механической гармонике,where R to - the equivalent resistance of a quartz resonator at the k-th mechanical harmonic,
R10пр=R10/(ω2(C37)2(R10)2+[1+C37/C36]2),R 10pr = R 10 / (ω 2 (C 37 ) 2 (R 10 ) 2 + [1 + C 37 / C 36 ] 2 ),
где ω - циклическая частота k-ой механической гармоники кварцевого резонатора, С36 - емкость седьмого конденсатора, С37 - емкость восьмого конденсатора.where ω is the cyclic frequency of the kth mechanical harmonic of the quartz resonator, C 36 is the capacitance of the seventh capacitor, C 37 is the capacitance of the eighth capacitor.
При этом коэффициент обратной связи автогенератора приблизительно равен:In this case, the feedback coefficient of the oscillator is approximately equal to:
kос=C35C36/(C37[C35+C36]),k OS = C 35 C 36 / (C 37 [C 35 + C 36 ]),
где С35 - емкость шестого конденсатора, С36 - емкость седьмого конденсатора, С37 - емкость восьмого конденсатора.where C 35 is the capacity of the sixth capacitor, C 36 is the capacity of the seventh capacitor, C 37 is the capacity of the eighth capacitor.
А коэффициент связи кварцевого автогенератора с буферным усилителем приблизительно равенAnd the coupling coefficient of a quartz oscillator with a buffer amplifier is approximately equal
kсв=C35(C36+C37)/C36C37,k St. = C 35 (C 36 + C 37 ) / C 36 C 37 ,
где С35 - емкость шестого конденсатора, С36 - емкость седьмого конденсатора, С37 - емкость восьмого конденсатора.where C 35 is the capacity of the sixth capacitor, C 36 is the capacity of the seventh capacitor, C 37 is the capacity of the eighth capacitor.
Таким образом, koc и kсв в заявленном устройстве могут быть выбраны оптимальными: koc из условий, следующих из решения комплексного уравнения стационарного режима автогенератора с кварцем в цепи обратной связи, a kcв - из условия согласования выходного сопротивления автогенератора с входным сопротивлением буферного усилителя. Это позволяет снизить спектральную плотность мощности фазовых шумов предлагаемого устройства по отношению к спектральной плотности мощности фазовых шумов прототипа.Thus, k oc and k sv in the claimed device can be selected optimal: k oc from the conditions following from solving the complex equation of the stationary mode of the oscillator with quartz in the feedback circuit, ak cv from the condition of matching the output resistance of the oscillator with the input resistance of the buffer amplifier . This allows you to reduce the spectral power density of the phase noise power of the proposed device in relation to the spectral power density of the phase noise power of the prototype.
В частном варианте воплощения параллельно одиннадцатому конденсатору включен подстроечный двенадцатый конденсатор, а параллельно тринадцатому конденсатору - подстроечный четырнадцатый конденсатор.In a particular embodiment, a trimming twelfth capacitor is connected in parallel with the eleventh capacitor, and a tuning fourteen capacitor is connected in parallel with the thirteenth capacitor.
В одном частном варианте воплощения эмиттер третьего транзистора подключен к шине питания положительной полярности.In one particular embodiment, the emitter of the third transistor is connected to a positive polarity power bus.
В еще одном частном варианте воплощения коллектор третьего транзистора подключен к общей шине последовательным соединением подстроечного пятнадцатого конденсатора и четвертой катушки индуктивности, а также последовательным соединением подстроечного шестнадцатого конденсатора и пятой катушки индуктивности, параллельно семнадцатому конденсатору включен подстроечный восемнадцатый конденсатор, а параллельно девятнадцатому конденсатору - подстроечный двадцатый конденсатор, точка соединения которых подключена к выходному выводу генератора через последовательное соединение седьмой катушки индуктивности и двадцать первого конденсатора, параллельно которому включен подстроечный двадцать второй конденсатор.In another particular embodiment, the collector of the third transistor is connected to a common bus by a serial connection of a tuning fifteenth capacitor and a fourth inductor, as well as a series connection of a tuning sixteenth capacitor and a fifth inductor, a tuning eighteen capacitor is connected in parallel to the seventeenth capacitor, and parallel to the nineteenth to a nineteenth to a twentieth ninth to twentieth capacitor capacitor, the connection point of which is connected to the output terminal neratora through a serial connection of the seventh inductor and the twenty-first capacitor, in parallel with which is trimmed twenty-second capacitor.
В другом частном варианте воплощения параллельно кварцевому резонатору включена вторая катушка индуктивности.In another particular embodiment, a second inductor is connected parallel to the quartz crystal.
Для лучшего понимания идей изобретения ниже приводятся иллюстрирующие чертежи, показывающие один из частных вариантов выполнения устройства.For a better understanding of the ideas of the invention, the following are illustrative drawings showing one particular embodiment of the device.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
На фиг.1 изображена электрическая принципиальная схема устройства согласно прототипу.Figure 1 shows the electrical schematic diagram of a device according to the prototype.
На фиг.2 изображена электрическая принципиальная схема одного из конкретных вариантов воплощения устройства согласно изобретению для случая кварцевого автогенератора на p-n-p биполярном транзисторе.Figure 2 shows an electrical schematic diagram of one of the specific embodiments of the device according to the invention for the case of a quartz oscillator on a p-n-p bipolar transistor.
На фиг.3 представлен график экспериментально определенной зависимости спектральной плотности мощности фазового шума от частоты отстройки выходного сигнала гетеродина миллиметрового диапазона длин волн от его номинальной частоты для устройства, собранного по схеме фиг.2.Figure 3 presents a graph of an experimentally determined dependence of the spectral power density of phase noise on the frequency of detuning the output signal of the local oscillator of the millimeter wavelength range from its nominal frequency for the device assembled according to the scheme of figure 2.
На фиг.4 представлен график экспериментально определенной зависимости спектральной плотности мощности амплитудного шума от частоты отстройки выходного сигнала гетеродина сантиметрового диапазона длин волн от его номинальной частоты для устройства, собранного по схеме фиг.2.Figure 4 presents a graph of an experimentally determined dependence of the spectral density of the power of the amplitude noise on the frequency of the detuning of the output signal of the local oscillator of the centimeter wavelength range from its nominal frequency for the device assembled according to the scheme of figure 2.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
В одном из частных вариантов воплощения, как показано на фиг.2, устройство содержит двадцать три конденсатора (с первого по двадцать третий), обозначенных позициями 28, 1, 32, 34, 7, 35, 36, 37, 12, 16, 19, 38, 20, 39, 40, 42, 25, 44, 26, 45, 47, 48 и 27, десять резисторов (с первого по десятый), обозначенных позициями 29, 30, 31, 2, 4, 10, 13, 14, 18 и 21, семь катушек индуктивности (с первой по седьмую), обозначенных позициями 6, 33, 17, 41, 43, 24 и 46, кварцевый резонатор 5, три транзистора (с первого по третий), обозначенных позициями 3, 15 и 23 и стабилизатор напряжения положительной полярности 11. Один из выводов кварцевого резонатора 5 подключен к эмиттеру первого транзистора 3. Эмиттер первого транзистора 3 подключен к выходу стабилизатора напряжения положительной полярности 11 через последовательное соединение резисторов, четвертого 2 и пятого 4. В цепь коллектора первого транзистора 3 включена первая катушка индуктивности 6, другой вывод которой подключен к общей шине. Первый затвор второго транзистора 15 соединен с общей шиной через шестой резистор 10. Второй затвор второго транзистора 15 подключен к делителю напряжения, состоящему из седьмого резистора 13, подключенного к шине питания положительной полярности, и восьмого резистора 14, подключенного к общей шине. Параллельно восьмому резистору 14 включен девятый конденсатор 12. Исток второго транзистора 15 подключен к общей шине через девятый резистор 18, параллельно которому включен десятый конденсатор 16, а сток второго транзистора подключен к шине питания положительной полярности через параллельное соединение третьей катушки индуктивности 17 с последовательным соединением конденсаторов, одиннадцатого 19 и тринадцатого 20, общая точка которых подключена к базе третьего транзистора 23 и через десятый резистор 21 подключена к общей шине. Эмиттер третьего транзистора 23 соединен с шиной питания положительной полярности. Между шиной питания положительной полярности и общей шиной включен двадцать третий конденсатор 27, между точкой соединения резисторов, четвертого 2 и пятого 4, и общей шиной включен первый конденсатор 28. Шина питания положительной полярности подключена к входу стабилизатора напряжения положительной полярности 11, выход которого подключен к пятому конденсатору 7, другой вывод которого подключен к общей шине.In one of the private embodiments, as shown in figure 2, the device contains twenty-three capacitors (from first to twenty third), indicated by the
Особенность устройства состоит в том, что база первого транзистора 3 соединена с общей шиной через параллельное соединение третьего конденсатора 32 и последовательно соединенных резисторов, третьего 31 и второго 30, к общей точке которых подключен первый резистор 29, другой вывод которого подключен к общей точке первого конденсатора 28 и пятого резистора 4, и второй конденсатор 1, соединенный с общей шиной. Параллельно кварцевому резонатору 5 включена вторая катушка индуктивности 33. Параллельно первой катушке индуктивности 6 включено последовательное соединение трех конденсаторов, шестого 35, седьмого 36 и восьмого 37, параллельно которым включен подстроечный четвертый конденсатор 34. Другой вывод кварцевого резонатора 5 подключен к общей точке седьмого 36 и восьмого 37 конденсаторов, а первый затвор второго транзистора 15 - к общей точке шестого 35 и седьмого 36 конденсаторов. Параллельно одиннадцатому конденсатору 19 подключен подстроечный двенадцатый конденсатор 38, а параллельно тринадцатому конденсатору 20 подключен подстроечный четырнадцатый конденсатор 39. Коллектор третьего транзистора 23 соединен с общей шиной параллельным соединением шестой катушки индуктивности 24 с последовательным соединением подстроечного пятнадцатого конденсатора 40 и четвертой катушки индуктивности 41, с последовательным соединением подстроечного шестнадцатого конденсатора 42 и пятой катушки индуктивности 43, с последовательным соединением семнадцатого 25 и девятнадцатого 26 конденсаторов. Параллельно семнадцатому 25 и девятнадцатому 26 конденсаторам, включены подстроечные конденсаторы, восемнадцатый 44 и двадцатый 45 соответственно. Выходной вывод генератора соединен с общей точкой семнадцатого 25 и девятнадцатого 26 конденсаторов через последовательное соединение седьмой катушки индуктивности 46 и двадцать первого конденсатора 47, параллельно которому включен подстроечный двадцать второй конденсатор 48.A feature of the device is that the base of the
В конкретном варианте воплощения устройства, показанного на фиг.2 и описанного выше, в качестве первого транзистора апробированы биполярные p-n-p транзисторы КТ3123А-2, NE97773 и BFT92, в качестве второго - полевые транзисторы с n-каналом BF998 и BF998WR, в качестве третьего - биполярный p-n-p транзистор BFT92, в качестве кварцевого резонатора - кварцы АТ-среза РКМ-10, работающие на 7-ой, 9-ой или 11-ой механической гармонике при кратностях умножения частоты колебания автогенератора N=3 либо N=2. В одном из конкретных вариантов воплощения частота опорных колебаний автогенератора составила 728 МГц, что доказывает высокочастотность предлагаемого устройства в главном аспекте - частоте опорного колебания самого кварцевого автогенератора. При этом третий транзистор работал в режиме усиления (N=1). При кратности умножения N=3 предельная выходная частота устройства была равна 1,26 ГГц. При кратности умножения N=2 выходная частота составила 1,18 ГГц. Так как данные результаты получены на кварцевых резонаторах, разработанных и настроенных на более низкие частоты и/или механические гармоники, то на кварцевых резонаторах, разработанных специально для дециметрового диапазона длин волн, предлагаемое устройство способно работать на более высоких частотах.In the specific embodiment of the device shown in FIG. 2 and described above, the bipolar pnp transistors KT3123A-2, NE97773 and BFT92 were tested as the first transistor, field-effect transistors with n-channel BF998 and BF998WR were used as the second transistor, and bipolar as the third pnp transistor BFT92, as a quartz resonator - quartz AT-cut RKM-10, operating at the 7th, 9th or 11th mechanical harmonic with multiplicities of multiplication of the oscillator oscillation frequency N = 3 or N = 2. In one specific embodiment, the frequency of the reference oscillations of the oscillator was 728 MHz, which proves the high frequency of the proposed device in the main aspect - the frequency of the reference oscillation of the quartz oscillator itself. In this case, the third transistor worked in gain mode (N = 1). With a multiplication factor of N = 3, the limiting output frequency of the device was 1.26 GHz. With a multiplication factor of N = 2, the output frequency was 1.18 GHz. Since these results were obtained on quartz resonators designed and tuned to lower frequencies and / or mechanical harmonics, on quartz resonators designed specifically for the decimeter wavelength range, the proposed device is capable of operating at higher frequencies.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. После подачи положительного напряжения питания постоянного тока на шину питания стабилизатор напряжения 11 и пятый конденсатор 7 формируют стабильное напряжение постоянного тока с низким уровнем пульсаций, которое через пятый резистор 4 и четвертый резистор 2 подается на эмиттер первого транзистора 3, а через пятый резистор 4 и схему «бесшумового» питания, состоящую из первого резистора 29, второго резистора 30 и третьего резистора 31, подается на базу первого транзистора 3. Таким образом, первый транзистор 3 (транзистор автогенератора) включен по схеме с общим коллектором по постоянному току и по схеме с общей базой - по переменному току. При этом в кварцевом автогенераторе благодаря цепи обратной связи, образованной параллельным соединением кварцевого резонатора 5 и второй катушки индуктивности 33, предназначенной для компенсации паразитной емкости кварцевого резонатора 5, возникают условия для мягкого возбуждения осцилляторных колебаний в малой окрестности частоты последовательного резонанса кварцевого резонатора, возбуждаемого на одной из его нечетных механических гармоник (7-ой, 9-ой или 11-ой). Четвертый конденсатор 34, выполняющий функцию точной настройки, рассчитан таким образом, что максимальная вариация его емкости мала по сравнению с емкостью последовательного соединения конденсаторов: шестого 35, седьмого 36 и восьмого 37. Вследствие этого параллельный контур, служащий для селекции заданной механической гармоники кварца и состоящий из первой катушки индуктивности 6 и четвертого 34, шестого 35, седьмого 36 и восьмого 37 конденсаторов, имеет растянутый диапазон настройки, и кварцевый автогенератор может быть настроен на свою номинальную частоту с большей точностью.The proposed device operates as follows. After applying a positive DC voltage to the power bus, the
Затем опорное колебание поступает на первый затвор второго транзистора 15, который вместе с параллельным контуром, образованным третьей катушкой индуктивности 17 и последовательным соединением параллельного соединения одиннадцатого конденсатора 19 и двенадцатого конденсатора 38 и параллельного соединения тринадцатого конденсатора 20 и четырнадцатого конденсатора 39, составляют буферный каскад. Двенадцатый конденсатор 38 служит для точной настройки контура на частоту опорных колебаний, а четырнадцатый конденсатор 39 - для согласования выходного сопротивления буферного каскада с выходным сопротивлением умножителя частоты (усилителя мощности). Сопротивление нулевого смещения на первом затворе, реализованное с помощью шестого резистора 10, позволяет минимизировать напряжение пульсаций на первом затворе второго транзистора 15. Усиление является второстепенной функцией буферного каскада. Главной функцией буферного каскада является уменьшение влияния умножителя частоты (усилителя мощности), а также последующего тракта гетеродина на стабильность частоты и спектральную плотность мощности фазовых шумов кварцевого автогенератора.Then, the reference oscillation is applied to the first gate of the
В предпочтительном варианте предлагаемого решения опорное колебание с выхода буферного каскада подается на умножитель частоты с кратностью умножения N=3, собранный на третьем транзисторе 23.In a preferred embodiment of the proposed solution, the reference oscillation from the output of the buffer stage is supplied to a frequency multiplier with a multiplicity of multiplication N = 3, assembled on the
Следует подчеркнуть, что сущность предложенного решения в части предварительного умножения частоты генерируемого колебания, частота которого уже лежит в диапазоне дециметровых длин волн, непосредственно в устройстве, заключается в возможности сформировать спектрально-чистое колебание с частотой более 1 ГГц, являющееся исходным для его последующего переноса в сантиметровый или миллиметровый диапазон. При этом удается обойти практически мало реальную задачу для известного уровня техники о фильтрации побочных спектральных составляющих сигнала гетеродина миллиметрового диапазона длин волн до уровня минус (60…70) дБ. Фильтрация же первой и второй субгармоник опорного колебания фильтром, представленным в предлагаемом решении до уровня минус (50…70) дБ, задача реальная, обеспечивающая ослабление в последующих фильтрах тракта гетеродина побочных спектральных составляющих до уровня минус 70 дБ. Итак, после умножения частоты опорного колебания автогенератора, прошедшего буферный усилитель, с помощью умножителя частоты на третьем транзисторе 23 и фильтрации субгармоник и гармоник выходного сигнала кварцевого генератора с номерами n≠N, где N=3, а n=1, 2, 4, 5… фильтром, в состав которого входят конденсаторы: пятнадцатый 40, шестнадцатый 42, семнадцатый 25, восемнадцатый 44, девятнадцатый 26, двадцатый 45, двадцать первый 47 и двадцать второй 48 и катушки индуктивности: четвертая 41, пятая 43, шестая 24, седьмая 46, на выходе устройства формируется спектрально-чистый сигнал. При этом последовательный контур фильтра, состоящий из пятнадцатого конденсатора 40 и четвертой катушки индуктивности 41, настроен на частоту выбранной механической гармоники кварца (7-ой, 9-ой или 11-ой), то есть на частоту первой субгармоники (n=1) выходного сигнала. Последовательный контур фильтра, состоящий из шестнадцатого конденсатора 42 и пятой катушки индуктивности 43, настроен на частоту второй субгармоники (n=2) выходного сигнала и отфильтровывает спектральную составляющую опорного колебания с удвоенной частотой выбранной механической гармоники кварца (7-ой, 9-ой или 11-ой). Оба эти последовательные контура, включенные в параллель с шестой катушкой индуктивности 24, образуют на частоте третьей (N=3) гармоники, выбранной механической гармоники кварцевого резонатора, индуктивность, величина которой несколько отличается от величины индуктивности шестой катушки индуктивности 24 в меньшую сторону, что позволяет реализовывать в схеме фильтра значения индуктивности, которые иначе, из-за паразитных индуктивностей печатных проводников, реализовать было бы сложнее. Таким образом, построение выходного фильтра в предложенных устройствах позволяет получить необходимую чистоту спектра сигнала после переноса его в миллиметровый либо сантиметровый диапазон длин волн как за счет более высокой выходной частоты генератора, так и за счет более глубокой фильтрации субгармоник и высших гармоник его выходного сигнала.It should be emphasized that the essence of the proposed solution in terms of preliminary multiplying the frequency of the generated oscillation, whose frequency already lies in the decimeter wavelength range, directly in the device, consists in the possibility of forming a spectrally pure oscillation with a frequency of more than 1 GHz, which is the initial one for its subsequent transfer to centimeter or millimeter range. At the same time, it is possible to bypass the practically little real problem for the prior art on filtering the side spectral components of the millimeter-wave local oscillator signal to the level minus (60 ... 70) dB. The filtration of the first and second subharmonics of the reference oscillation by the filter presented in the proposed solution to the level of minus (50 ... 70) dB is a real task, providing attenuation of the side spectral components in the subsequent filters of the local oscillator path to the level of minus 70 dB. So, after multiplying the frequency of the reference oscillation of the oscillator that has passed through the buffer amplifier, using the frequency multiplier on the
Экспериментальная зависимость спектральной плотности мощности фазовых шумов от частоты отстройки от номинальной частоты выходного сигнала гетеродина миллиметрового диапазона длин волн, собранного на основе высокочастотного кварцевого генератора по схеме фиг.2, представлена на фиг.3.The experimental dependence of the spectral power density of phase noise on the detuning frequency on the nominal frequency of the output signal of the local oscillator of the millimeter wavelength range, assembled on the basis of a high-frequency crystal oscillator according to the scheme of figure 2, is presented in figure 3.
Экспериментальная зависимость спектральной плотности мощности амплитудных шумов от частоты отстройки от номинальной частоты выходного сигнала гетеродина сантиметрового диапазона длин волн, собранного на основе высокочастотного кварцевого генератора по схеме фиг.2, представлена на фиг.4.The experimental dependence of the spectral power density of the amplitude noise on the detuning frequency from the nominal frequency of the output signal of the local oscillator of the centimeter wavelength range, collected on the basis of the high-frequency crystal oscillator according to the scheme of figure 2, is presented in figure 4.
Изменения и модификации вышеописанного устройства, а также дополнительные применения принципов, заложенных в его основу, очевидные для специалистов в данной области техники, входят в объем изобретения.Changes and modifications of the above device, as well as additional applications of the principles laid down in its foundation, obvious to specialists in this field of technology, are included in the scope of the invention.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010129757/08A RU2439775C1 (en) | 2010-07-19 | 2010-07-19 | High-frequency quartz oscillator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010129757/08A RU2439775C1 (en) | 2010-07-19 | 2010-07-19 | High-frequency quartz oscillator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2439775C1 true RU2439775C1 (en) | 2012-01-10 |
Family
ID=45784337
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010129757/08A RU2439775C1 (en) | 2010-07-19 | 2010-07-19 | High-frequency quartz oscillator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2439775C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2748218C1 (en) * | 2020-02-04 | 2021-05-21 | Алексей Валерьевич Голубев | Ultra-low-noise quartz oscillator |
-
2010
- 2010-07-19 RU RU2010129757/08A patent/RU2439775C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2748218C1 (en) * | 2020-02-04 | 2021-05-21 | Алексей Валерьевич Голубев | Ultra-low-noise quartz oscillator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Macedo et al. | A 1.9-GHz silicon receiver with monolithic image filtering | |
| US9490745B1 (en) | Voltage-controlled oscillator | |
| US11025197B2 (en) | Resonator circuit | |
| US20020135431A1 (en) | Apparatus and method for reducing phase noise in oscillator circuits | |
| TW201126893A (en) | A frequency multiplier device and method thereof | |
| TWI523411B (en) | Low noise oscillators | |
| CN115498962B (en) | Low-phase-noise crystal oscillator circuit and implementation method | |
| RU2439775C1 (en) | High-frequency quartz oscillator | |
| CN107947790B (en) | Broadband fine stepping low-noise frequency source | |
| Shin et al. | A compact D-band CMOS frequency sixtupler using a mode analysis of the harmonics | |
| Szczepkowski et al. | Wideband 0.18 μm CMOS VCO using active inductor with negative resistance | |
| CN203377843U (en) | Higher frequency multiplier | |
| RU110211U1 (en) | HIGH FREQUENCY QUARTZ GENERATOR | |
| US9106179B2 (en) | Voltage-controlled oscillators and related systems | |
| CN116111956A (en) | Voltage controlled oscillator and frequency source | |
| Zhang et al. | A 1.6-to-3.2/4.8 GHz dual-modulus injection-locked frequency multiplier in 0.18 μm digital CMOS | |
| KR100572128B1 (en) | A voltage controlled oscillator using LC resonator | |
| Landsberg et al. | A 234–248 GHz power efficient fundamental VCO using 32 nm CMOS SOI technology | |
| RU2207705C1 (en) | Controllable crystal oscillator incorporating provision of high-ratio frequency multiplication | |
| KR101763485B1 (en) | A Low-Power Single-Stage RF Receiver Fron-end : Variable Gain-Controlled Double-balanced LMV | |
| KR101703452B1 (en) | A single-stage double-balanced LMV | |
| RU86816U1 (en) | CONTROLLED AUTOGENERATOR | |
| RU2748218C1 (en) | Ultra-low-noise quartz oscillator | |
| US11817824B1 (en) | Multi-resonant oscillator/clock | |
| RU2517681C1 (en) | Selective amplifier with extended frequency band |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130720 |