RU2450416C1 - Quartz crystal oscillator - Google Patents
Quartz crystal oscillator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2450416C1 RU2450416C1 RU2011109243/08A RU2011109243A RU2450416C1 RU 2450416 C1 RU2450416 C1 RU 2450416C1 RU 2011109243/08 A RU2011109243/08 A RU 2011109243/08A RU 2011109243 A RU2011109243 A RU 2011109243A RU 2450416 C1 RU2450416 C1 RU 2450416C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- inverting amplifier
- input
- quartz
- capacitor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для генерации электрических сигналов, стабилизированных электромеханическими резонаторами, в частности в пьезорезонансных датчиках с рабочим диапазоном частот от 10 кГц до 200 кГц.The invention relates to the field of electronic technology and can be used to generate electrical signals stabilized by electromechanical resonators, in particular in piezoresonance sensors with an operating frequency range from 10 kHz to 200 kHz.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является кварцевый генератор (см. патент РФ №2301491 от 30.11.2005, опубликован 20.06.2007 Б.И. №17), содержащий кварцевый резонатор, первый инвертирующий усилитель, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор, второй инвертирующий усилитель, вход которого соединен с первым выводом конденсатора.The closest in technical essence to the claimed device is a crystal oscillator (see RF patent No. 2301491 of November 30, 2005, published on June 20, 2007, B.I. No. 17), containing a crystal, the first inverting amplifier, the input and output of which are interconnected through the first resistor, the second inverting amplifier, the input of which is connected to the first output of the capacitor.
Указанное выше устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому и поэтому выбрано в качестве прототипа.The above device is the closest in technical essence to the claimed and therefore selected as a prototype.
Недостатком прототипа является сложность настройки для достижения точной компенсации тока статической емкости кварцевого резонатора, приводящей к увеличению времени переходного процесса установления стабильного режима генерации, что в некоторых случаях недопустимо.The disadvantage of the prototype is the complexity of the settings to achieve accurate compensation of the current static capacitance of the quartz resonator, which leads to an increase in the transition process of establishing a stable generation mode, which in some cases is unacceptable.
Решаемой задачей является создание кварцевого генератора с малым временем готовности для выхода на стабильный режим работы.The problem to be solved is the creation of a quartz oscillator with a short availability time for reaching a stable mode of operation.
Достигаемым техническим результатом является повышение точности компенсации тока статической емкости кварцевого резонатора и уменьшение передаваемого сигнала через кварцевый резонатор в широкой полосе частот.Achievable technical result is to increase the accuracy of current compensation of the static capacitance of the quartz resonator and to reduce the transmitted signal through the quartz resonator in a wide frequency band.
Для достижения технического результата в кварцевом генераторе, содержащем кварцевый резонатор, первый инвертирующий усилитель, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор, второй инвертирующий усилитель, вход которого соединен с первым выводом конденсатора, новым является то, что дополнительно введен резистивный делитель и второй резистор, первый вывод которого соединен со входом первого инвертирующего усилителя, а второй вывод соединен с первым выводом (входом) резистивного делителя и выходом второго инвертирующего усилителя, вход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора, второй вывод которого соединен с выходом первого инвертирующего усилителя, второй вывод конденсатора соединен со вторым выводом (выходом) резистивного делителя, третий вывод которого соединен с общей точкой, при этом выход второго инвертирующего усилителя является выходом устройства.To achieve a technical result in a crystal oscillator containing a crystal, the first inverting amplifier, the input and output of which are connected to each other through the first resistor, the second inverting amplifier, the input of which is connected to the first output of the capacitor, is new, that a resistive divider and a second a resistor, the first output of which is connected to the input of the first inverting amplifier, and the second output is connected to the first output (input) of the resistive divider and the output of the second inverter amplifier, the input of which is connected to the first output of the quartz resonator, the second output of which is connected to the output of the first inverting amplifier, the second output of the capacitor is connected to the second output (output) of the resistive divider, the third output of which is connected to a common point, while the output of the second inverting amplifier is device output.
На фигуре 1 изображена функциональная схема кварцевого генератора. На фигуре 2 представлена эквивалентная схема кварцевого резонатора.The figure 1 shows a functional diagram of a crystal oscillator. The figure 2 presents the equivalent circuit of a quartz resonator.
Устройство содержит кварцевый резонатор 1, первый инвертирующий усилитель 2, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор 3, второй инвертирующий усилитель 4, вход которого соединен с первым выводом конденсатора 5, резистивный делитель 6 и второй резистор 7, первый вывод которого соединен со входом первого инвертирующего усилителя 2, а второй вывод соединен с первым выводом (входом) резистивного делителя 6 и выходом второго инвертирующего усилителя 6, вход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора 1, второй вывод которого соединен с выходом первого инвертирующего усилителя 2, второй вывод конденсатора 5 соединен со вторым выводом (выходом) резистивного делителя 6, третий вывод которого соединен с общей точкой, при этом выход второго инвертирующего усилителя 4 является выходом устройства.The device comprises a quartz resonator 1, a first inverting amplifier 2, the input and output of which are interconnected through the first resistor 3, a second inverting amplifier 4, the input of which is connected to the first output of the capacitor 5, a resistive divider 6 and a second resistor 7, the first output of which is connected to the input of the first inverting amplifier 2, and the second output is connected to the first output (input) of the resistive divider 6 and the output of the second inverting amplifier 6, the input of which is connected to the first output of the quartz resonator 1, the second the output of which is connected to the output of the first inverting amplifier 2, the second output of the capacitor 5 is connected to the second output (output) of the resistive divider 6, the third output of which is connected to a common point, while the output of the second inverting amplifier 4 is the output of the device.
Повышение точности компенсации тока статической емкости кварцевого резонатора 1 осуществляется за счет применения резистивного делителя 6. Более точная компенсация достигается выбором коэффициента передачи резистивного делителя 6 и емкости конденсатора 5.The accuracy of compensation of the current of the static capacitance of the quartz resonator 1 is improved by using a resistive divider 6. More accurate compensation is achieved by selecting the transmission coefficient of the resistive divider 6 and the capacitance of the capacitor 5.
Устройство работает следующим образом. Участок схемы "А-Г", состоящей из резистивного делителя 6, конденсатора 5, используется для нейтрализации статической емкости С0 резонатора 1.The device operates as follows. A section of the circuit "A-G", consisting of a resistive divider 6, a capacitor 5, is used to neutralize the static capacitance C 0 of the resonator 1.
Напряжение на выходе первого инвертирующего усилителя 1, обусловленное протеканием тока через второй резистор 7 (R2), равно произведению значения сопротивления первого резистора 3 (R1) обратной связи на значение входного тока, равного UA/R2 (свойство инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления К>>1 с отрицательной обратной связью):The voltage at the output of the first inverting amplifier 1, due to the current flowing through the second resistor 7 (R 2 ), is equal to the product of the resistance value of the first feedback resistor 3 (R 1 ) and the input current value equal to U A / R 2 (property of the inverting amplifier with a coefficient gain K >> 1 with negative feedback):
где R1 - значение сопротивления первого резистора 3;where R 1 is the resistance value of the first resistor 3;
R2 - значение сопротивления второго резистора 7;R 2 is the resistance value of the second resistor 7;
UA - переменное напряжение (точка схемы А).U A - alternating voltage (point of circuit A).
В случае, когда импеданс кварцевого резонатора 1 ZQ и компенсирующего конденсатора 5, равного много больше входного сопротивления второго инвертирующего усилителя 4 (ZQ>>Zвx2; ZC1>>Zвx2), ток, протекающий через кварцевый резонатор 1 IK, определяется суммой двух составляющихIn the case when the impedance of a quartz resonator 1 Z Q and a compensating capacitor 5 equal to much more than the input resistance of the second inverting amplifier 4 (Z Q >> Z bx2 ; Z C1 >> Z bx2 ), the current flowing through the quartz resonator 1 I K is determined by the sum of the two components
где Zвx - значение входного импеданса второго инвертирующего усилителя 4;where Z in - the value of the input impedance of the second inverting amplifier 4;
UБ - переменное напряжение, приложенное к кварцевому резонатору 1 (точка схемы Б);U B - alternating voltage applied to the quartz resonator 1 (point of circuit B);
ZK - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 1;Z K - the impedance of the resonant branch of the quartz resonator 1;
RK, LK, CK - эквивалентные параметры кварцевого резонатора 1 (см. фиг.2).R K , L K , C K are the equivalent parameters of quartz resonator 1 (see figure 2).
Составляющая тока кварцевого резонатора 1, обусловленная его статической емкостью С0, уменьшает реальную добротность и крутизну фазочастотной характеристики резонатора и, соответственно, ухудшает стабильность частоты генератора. Наиболее сильное негативное влияние емкостного тока кварцевого резонатора 1 на стабильность частоты генератора проявляется в случаях, когда составляющие емкостного тока ωС0UБ и резонансного тока имеют соизмеримые значения.The current component of the quartz resonator 1, due to its static capacitance C 0 , reduces the real quality factor and the steepness of the phase-frequency characteristic of the resonator and, accordingly, affects the frequency stability of the generator. The strongest negative effect of the capacitive current of the quartz resonator 1 on the frequency stability of the generator is manifested in cases where the components of the capacitive current ωС 0 U B and the resonant current have commensurate meanings.
Ток, протекающий через конденсатор 5, определяется выражениемThe current flowing through the capacitor 5 is determined by the expression
где С1 - значение емкости конденсатора 5 (см. фиг.1);where C 1 - the value of the capacitance of the capacitor 5 (see figure 1);
Кдел - коэффициент передачи участка схемы "А-В" (коэффициент передачи резистивного делителя 6);To affairs - the transmission coefficient of the circuit section "AB" (transmission coefficient of the resistive divider 6);
UB - переменное напряжение на выходе резистивного делителя 6 (точка схемы В);U B - alternating voltage at the output of resistive divider 6 (point of circuit B);
UA - переменное входное напряжение (точка схемы А).U A - alternating input voltage (point of circuit A).
Коэффициент передачи резистивного делителя 6 определяется выбором значений сопротивлений, входящих в его состав.The transmission coefficient of the resistive divider 6 is determined by the choice of resistance values included in its composition.
Условие компенсации шунтирующего влияния статической емкости можно определить из суммы токов, протекающих через статическую емкость С0 резонатора и конденсатор 4:The compensation condition for the shunt effect of the static capacitance can be determined from the sum of the currents flowing through the static capacitance C 0 of the resonator and capacitor 4:
Из уравнения (6) следует , отсюдаFrom equation (6) it follows from here
илиor
На резонансной частоте резонатора 1 при условии (5), (6), (7) емкостной ток через емкость С0 резонатора нейтрализуется противофазным током (4) через конденсатор 5 C1 и напряжение на входе второго инвертирующего усилителя 4 определяется выражениемAt the resonant frequency of the resonator 1 under condition (5), (6), (7), the capacitive current through the capacitance C 0 of the resonator is neutralized by the antiphase current (4) through the capacitor 5 C 1 and the voltage at the input of the second inverting amplifier 4 is determined by the expression
где ZK - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 1;where Z K is the impedance of the resonant branch of the quartz resonator 1;
Zвx2 - входной импеданс второго инвертирующего усилителя 4.Z Bx2 - input impedance of the second inverting amplifier 4.
При активном характере входного импеданса Zвx=Rвx напряжение на выходе второго инвертирующего усилителя 4 определяется выражениемWith the active nature of the input impedance Z Vx = R Vx the voltage at the output of the second inverting amplifier 4 is determined by the expression
где Ку_инв2 - коэффициент усиления второго инвертирующего усилителя 4.where K y_inv2 is the gain of the second inverting amplifier 4.
Коэффициент передачи участка "А - выход второго инвертирующего усилителя 4" определяется из выражения (9):The transfer coefficient of the plot "A - output of the second inverting amplifier 4" is determined from the expression (9):
Коэффициент передачи Кn будет иметь максимальное и действительное значение на частоте, равной резонансной частоте кварцевого резонатора 1, для которой ZK=RK.The transfer coefficient K n will have a maximum and real value at a frequency equal to the resonant frequency of the quartz resonator 1, for which Z K = R K.
Для обеспечения устойчивой работы генератора необходимо выполнение двух условий:To ensure stable operation of the generator, two conditions must be met:
- условие баланса амплитуд, при котором коэффициент передачи неискаженного сигнала в контуре положительной обратной связи Кn генератора должен быть больше 1;- the condition of the balance of the amplitudes, in which the transmission coefficient of the undistorted signal in the positive feedback loop K n of the generator should be greater than 1;
- условие баланса фаз, при которомis the condition of the phase balance under which
где Кn - суммарный коэффициент передачи на частоте генерации;where K n is the total transmission coefficient at the generation frequency;
φn - фазовый сдвиг на участке "А - выход второго инвертирующего усилителя 4" на частоте генерации.φ n - phase shift in the plot "A is the output of the second inverting amplifier 4" at the generation frequency.
Согласно предлагаемому изобретению изготовлены макетные образцы генераторов, испытания которых подтвердили их работоспособность и эффективность. При этом первый инвертирующий усилитель 2 и второй инвертирующий усилитель 4 выполнены на комплементарных парах КМОП-транзисторов. Второй инвертирующий усилитель 4 может содержать схему амплитудного диодного ограничителя или схему автоматической регулировки усиления (АРУ), которая применяется для ограничения амплитуды переменного напряжения, подаваемого на кварцевый резонатор 1.According to the invention, prototype generators were manufactured, tests of which confirmed their efficiency and effectiveness. Moreover, the first inverting amplifier 2 and the second inverting amplifier 4 are made on complementary pairs of CMOS transistors. The second inverting amplifier 4 may include an amplitude diode limiter circuit or an automatic gain control (AGC) circuit, which is used to limit the amplitude of the alternating voltage supplied to the quartz resonator 1.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011109243/08A RU2450416C1 (en) | 2011-03-11 | 2011-03-11 | Quartz crystal oscillator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011109243/08A RU2450416C1 (en) | 2011-03-11 | 2011-03-11 | Quartz crystal oscillator |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2450416C1 true RU2450416C1 (en) | 2012-05-10 |
Family
ID=46312430
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011109243/08A RU2450416C1 (en) | 2011-03-11 | 2011-03-11 | Quartz crystal oscillator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2450416C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2490779C1 (en) * | 2012-07-30 | 2013-08-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" | Generator |
CN103973225A (en) * | 2014-05-21 | 2014-08-06 | 北京遥测技术研究所 | High-impedance crystal resonator serial oscillating circuit and commissioning method thereof |
RU2531871C1 (en) * | 2013-08-27 | 2014-10-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Quartz oscillator |
RU2725311C1 (en) * | 2019-09-20 | 2020-06-30 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Generator |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0555804A1 (en) * | 1992-02-14 | 1993-08-18 | Siemens Aktiengesellschaft | Circuitry for regulating the frequency of clock signals obtained from a quartz oscillator |
EP1328061A2 (en) * | 2002-01-10 | 2003-07-16 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Oscillator and electronic device using same |
RU2208901C2 (en) * | 2001-05-28 | 2003-07-20 | Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики | Pulse generator |
RU2301491C1 (en) * | 2005-11-30 | 2007-06-20 | Федеральное агентство по атомной энергии | Crystal oscillator |
-
2011
- 2011-03-11 RU RU2011109243/08A patent/RU2450416C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0555804A1 (en) * | 1992-02-14 | 1993-08-18 | Siemens Aktiengesellschaft | Circuitry for regulating the frequency of clock signals obtained from a quartz oscillator |
RU2208901C2 (en) * | 2001-05-28 | 2003-07-20 | Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики | Pulse generator |
EP1328061A2 (en) * | 2002-01-10 | 2003-07-16 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Oscillator and electronic device using same |
RU2301491C1 (en) * | 2005-11-30 | 2007-06-20 | Федеральное агентство по атомной энергии | Crystal oscillator |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2490779C1 (en) * | 2012-07-30 | 2013-08-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" | Generator |
RU2531871C1 (en) * | 2013-08-27 | 2014-10-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Quartz oscillator |
CN103973225A (en) * | 2014-05-21 | 2014-08-06 | 北京遥测技术研究所 | High-impedance crystal resonator serial oscillating circuit and commissioning method thereof |
RU2725311C1 (en) * | 2019-09-20 | 2020-06-30 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Generator |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7675377B2 (en) | Voltage controlled oscillator | |
RU2450416C1 (en) | Quartz crystal oscillator | |
RU2450415C1 (en) | Quartz crystal oscillator | |
RU2531871C1 (en) | Quartz oscillator | |
RU2496192C2 (en) | Method for generation and frequency-modulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method | |
US8860518B1 (en) | Current-feedback operational-amplifier based relaxation oscillator | |
RU2486639C1 (en) | Method for generation and frequency-modulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method | |
JP3900911B2 (en) | Oscillation circuit and electronic equipment | |
Pandey et al. | Multiphase sinusoidal oscillators using operational trans-resistance amplifier | |
RU2707394C2 (en) | Generator | |
RU2301491C1 (en) | Crystal oscillator | |
JP6159472B2 (en) | Circuit apparatus and method for controlling piezoelectric transformer | |
RU2523945C1 (en) | Quartz oscillator | |
RU2453988C1 (en) | Frequency subtractor | |
Ansari et al. | Three phase mixed-mode CMOS VCO with grounded passive components | |
US10153751B2 (en) | Second order switched capacitor filter | |
RU2725311C1 (en) | Generator | |
RU2429556C1 (en) | Generator | |
RU2619714C1 (en) | Generator | |
RU2340078C1 (en) | Generator | |
RU2490779C1 (en) | Generator | |
JP6697339B2 (en) | Crystal oscillator | |
Sotner et al. | Electronically linearly voltage controlled second-order harmonic oscillator with multiples of π/4 phase shifts | |
Nandi et al. | Selective filters and sinusoidal oscillators using CFA transimpedance pole | |
Bothra et al. | Versatile voltage controlled relaxation oscillators using OTRA |