RU2453983C1 - Generator - Google Patents
Generator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2453983C1 RU2453983C1 RU2011110414/08A RU2011110414A RU2453983C1 RU 2453983 C1 RU2453983 C1 RU 2453983C1 RU 2011110414/08 A RU2011110414/08 A RU 2011110414/08A RU 2011110414 A RU2011110414 A RU 2011110414A RU 2453983 C1 RU2453983 C1 RU 2453983C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- amplifier
- resistors
- mos transistors
- resonator
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
- Amplifiers (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.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.
Известен «Генератор» (см. патент РФ №2340078 от 23.07.2007, опубликован 27.11.2008), который состоит из RC-моста, содержащего электромеханический резонатор с пьезоэлектрическим или электростатическим преобразователем, нейтрализующий конденсатор, первый и второй резисторы, второй конденсатор; дифференциального каскада на последовательно соединенных МОП-транзисторах с одинаковым типом проводимости, выходом дифференциального каскада является точка соединения стока одного транзистора с истоком другого транзистора; усилителя. Выход усилителя, являющийся выходом генератора, соединен с точкой соединения первых выводов электромеханического преобразователя резонатора и нейтрализующего конденсатора, вторые выводы которых соединены соответственно с затворами первого и второго транзисторов и первыми выводами резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно со стоками первого и второго транзисторов. Затвор второго транзистора соединен с первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен с источником питания. Выход дифференциального каскада соединен со входом усилителя, который выполнен трехкаскадным на трех комплементарных парах МОП-транзисторов, охваченных общей отрицательной обратной связью по постоянному току для обеспечения линейного режима работы при малых уровнях усиливаемого сигнала.The well-known "Generator" (see RF patent No. 2340078 dated 07.23.2007, published November 27, 2008), which consists of an RC bridge containing an electromechanical resonator with a piezoelectric or electrostatic converter, a neutralizing capacitor, first and second resistors, and a second capacitor; differential cascade on series-connected MOS transistors with the same type of conductivity; the output of the differential cascade is the connection point of the drain of one transistor with the source of another transistor; amplifier. The output of the amplifier, which is the output of the generator, is connected to the connection point of the first terminals of the electro-mechanical converter of the resonator and the neutralizing capacitor, the second terminals of which are connected respectively to the gates of the first and second transistors and the first conclusions of the resistors, the second conclusions of which are connected respectively to the drains of the first and second transistors. The gate of the second transistor is connected to the first terminal of the capacitor, the second terminal of which is connected to the power source. The output of the differential stage is connected to the input of the amplifier, which is made in three stages on three complementary pairs of MOS transistors, covered by a common negative DC feedback to provide a linear mode of operation at low amplified signal levels.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.The above device is the closest in technical essence to the claimed device and therefore is selected as a prototype.
Недостатками прототипа являются:The disadvantages of the prototype are:
- возникновение фазовых сдвигов на выходе резонатора, которые появляются при возбуждении резонатора сигналом прямоугольной формы;- the occurrence of phase shifts at the output of the resonator, which appear when the resonator is excited by a rectangular signal;
- малый уровень сигнала на выходе дифференциального каскада, что требует применения трехкаскадного усилителя;- a small signal level at the output of the differential stage, which requires the use of a three-stage amplifier;
- нестабильность суммарного фазового сдвига усилителя вследствие того, что изменяется форма выходных сигналов усилителя при изменении режима работы каскадов усилителя под действием внешних факторов эксплуатации (изменение напряжения питания, температуры окружающей среды, хранения и проч.).- instability of the total phase shift of the amplifier due to the fact that the shape of the output signals of the amplifier changes when the operation mode of the amplifier cascades changes under the influence of external operating factors (change in supply voltage, ambient temperature, storage, etc.).
Вышеуказанные недостатки приводят к нестабильности частоты генератора.The above disadvantages lead to instability of the frequency of the generator.
Решаемой задачей является создание генератора с кварцевым частотозадающим резонатором с повышенной стабильностью частоты генерации и «мягким» режимом возбуждения резонатора.The problem to be solved is the creation of a generator with a quartz frequency-setting resonator with increased stability of the generation frequency and a “soft” resonator excitation mode.
Достигаемым техническим результатом является возбуждение резонатора сигналом, форма которого приближена к синусоиде, увеличение уровня сигнала на выходе дифференциального каскада и уменьшение нестабильности суммарного фазового сдвига усилителя.The technical result achieved is the excitation of the resonator by a signal whose shape is close to a sinusoid, an increase in the signal level at the output of the differential stage, and a decrease in the instability of the total phase shift of the amplifier.
Для достижения технического результата в генераторе, содержащем электромеханический резонатор и нейтрализующий конденсатор, первые выводы которых соединены между собой, дифференциальный каскад на МОП-транзисторах с одинаковым типом проводимости, выход которого соединен со входом усилителя, который выполнен на двух комплементарных парах МОП-транзисторов, новым является то, что дополнительно введен фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом усилителя, а выход соединен с общей точкой соединения первых выводов электромеханического резонатора и нейтрализующего конденсатора, при этом усилитель выполнен двухкаскадным, первый каскад которого охвачен отрицательной обратной связью, а в дифференциальный каскад дополнительно введены семь резисторов, первые выводы первого, второго, третьего и четвертого резисторов объединены между собой и подключены к плюсовой шине питания, а минусовая шина питания подключена к первым выводам пятого, шестого и седьмого резисторов, вторые выводы пятого и седьмого резисторов подключены к затворам первого и второго МОП-транзисторов, ко вторым выводам четвертого и первого резисторов и ко вторым выводам электромеханического резонатора и нейтрализующего конденсатора соответственно, вторые выводы второго и третьего подключены к стокам МОП-транзисторов, истоки которых объединены между собой и подключены ко второму выводу шестого резистора, выход усилителя является выходом устройства.To achieve a technical result in a generator containing an electromechanical resonator and a neutralizing capacitor, the first conclusions of which are interconnected, a differential cascade on MOS transistors with the same type of conductivity, the output of which is connected to the amplifier input, which is made on two complementary pairs of MOS transistors, is new is that an additional low-pass filter is introduced, the input of which is connected to the output of the amplifier, and the output is connected to a common connection point of the first conclusions of the electromechan a resonator and a neutralizing capacitor, the amplifier is made in two stages, the first stage of which is covered by negative feedback, and seven resistors are additionally introduced into the differential stage, the first conclusions of the first, second, third, and fourth resistors are combined and connected to the positive power bus, and the negative power bus is connected to the first terminals of the fifth, sixth and seventh resistors, the second terminals of the fifth and seventh resistors are connected to the gates of the first and second MOS transistor c, to the second terminals of the fourth and first resistors and to the second terminals of the electromechanical resonator and the neutralizing capacitor, respectively, the second terminals of the second and third are connected to the drains of the MOS transistors, the sources of which are interconnected and connected to the second terminal of the sixth resistor, the amplifier output is the output of the device .
Возбуждение резонатора сигналом, форма которого приближена к синусоиде, увеличение уровня сигнала на выходе дифференциального каскада и уменьшение нестабильности суммарного фазового сдвига усилителя в предлагаемом генераторе осуществляется за счет того, что в дифференциальный каскад дополнительно введены семь резисторов, усилитель выполнен на двух комплементарных парах МОП-транзисторов, а в контур положительной обратной связи введен фильтр нижних частот. При этом выходное напряжение генератора является входным напряжением фильтра нижних частот, а напряжение возбуждения формируется на втором конденсаторе и подается на частотозадающий резонатор. Фильтр нижних частот настраивается так, чтобы отношение первой и третьей гармоник на его выходе было максимальным.The resonator is excited by a signal whose shape is close to a sinusoid, an increase in the signal level at the output of the differential stage and a decrease in the instability of the total phase shift of the amplifier in the proposed generator is carried out due to the fact that seven resistors are additionally introduced into the differential stage, the amplifier is made on two complementary pairs of MOS transistors , and a low-pass filter is introduced into the positive feedback loop. In this case, the output voltage of the generator is the input voltage of the low-pass filter, and the excitation voltage is generated on the second capacitor and fed to the frequency-setting resonator. The low-pass filter is adjusted so that the ratio of the first and third harmonics at its output is maximum.
На фигуре 1 представлена принципиальная схема заявляемого устройства. На фигуре 2 - эквивалентная схема кварцевого резонатора. На фигуре 3 показана зависимость передаточной характеристики полевого транзистора от температуры. На фигуре 4 изображена эпюра напряжения сигнала на входе фильтра нижних частот, на фигуре 5 - спектр этого сигнала. На фигурах 6 и 7 изображены эпюры напряжения возбуждения прототипа и заявляемого генератора соответственно, на фигуре 8 - эпюры напряжения возбуждения при использовании фильтра нижних частот с классической настройкой.The figure 1 presents a schematic diagram of the inventive device. In figure 2 is an equivalent circuit of a quartz resonator. The figure 3 shows the dependence of the transfer characteristics of the field effect transistor on temperature. Figure 4 shows a plot of the signal voltage at the input of the low-pass filter, figure 5 shows the spectrum of this signal. In figures 6 and 7 shows the diagrams of the excitation voltage of the prototype and the inventive generator, respectively, in figure 8 - diagrams of the excitation voltage when using a low-pass filter with a classic setting.
Генератор выполнен в виде последовательно соединенных дифференциального усилителя 1 и усилителя 2, при этом входы дифференциального усилителя 1 соединены соответственно с выходами частотозадающего элемента 4 и нейтрализующего конденсатора 5, входы которых объединены между собой и соединены с выходом фильтра нижних частот 3, вход которого соединен с выходом усилителя 2.The generator is made in the form of series-connected differential amplifier 1 and amplifier 2, while the inputs of the differential amplifier 1 are connected respectively to the outputs of the frequency-setting element 4 and the neutralizing capacitor 5, the inputs of which are interconnected and connected to the output of the low-pass filter 3, the input of which is connected to the output amplifier 2.
Заявляемый генератор согласно фигуре 1 содержит кварцевый резонатор 5 (QZ) и нейтрализующий конденсатор 4 (С1), первые выводы которых соединены между собой, дифференциальный каскад 1, выполненный на n-канальных МОП-транзисторах 11, 12 (VT1, VT2) и семи резисторах, первые выводы резисторов 7, 8, 9, 10 (R1, R2, R3, R4) объединены между собой и подключены к плюсовой шине питания, а минусовая шина питания подключена к первым выводам резисторов 13, 14, 15 (R5, R6, R7), вторые выводы резисторов 13, 14 (R5, R6) подключены к затворам n-канальных МОП-транзисторов VT1, VT2, ко вторым выводам резисторов 7, 10 (R1, R4) и ко вторым выводам нейтрализующего конденсатора 5 (С1) и кварцевого резонатора 4 (QZ) соответственно, вторые выводы резисторов 8, 9 (R2, R3) подключены к стокам n-канальных МОП-транзисторов VT1, VT2, истоки которых объединены между собой и подключены ко второму выводу резистора 15 (R17), выход которого соединен со входом усилителя 2 (объединенные затворы транзисторов VT3, VT4), который выполнен на двух комплементарных парах МОП-транзисторов 17-18 и 19-20 (VT3-VT4 и VT5-VT6), первая комплементарная пара МОП-транзисторов VT3-VT4 охвачена отрицательной обратной связью по постоянному току посредством включения резистора 16 (R8) между входом (объединенные затворы транзисторов VT3, VT4) и выходом первой комплементарной пары (объединенные стоки транзисторов VT3, VT4), для обеспечения линейного режима работы при малых уровнях усиливаемого сигнала, выход первой комплементарной пары соединен с входом второй комплементарной пары (объединенные затворы транзисторов VT5, VT6), для увеличения коэффициента усиления, выход которой (объединенные стоки транзисторов VT5, VT6) является выходом усилителя 2, истоки транзисторов VT3, VT5 подключены к плюсовой шине питания, а истоки транзисторов VT4, VT6 подключены к минусовой шине питания, выход усилителя 2 соединен с входом фильтра нижних частот - первый вывод резистора 21 (R9), второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатора 23 (С3) и первым выводом резистора 22 (R10) второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатора 24 (С4), вторые выводы конденсаторов 23, 24 (С3, С4) подключены к минусовой шине питания, второй вывод резистора 22 (R10) является выходом фильтра нижних частот, который подключен к первым выводам кварцевого резонатора 5 и нейтрализующего конденсатора 4.The inventive generator according to figure 1 contains a quartz resonator 5 (QZ) and a neutralizing capacitor 4 (C1), the first conclusions of which are interconnected, a differential stage 1 made on n-
Выход дифференциального каскада 1, точка объединения второго вывода резистора 9 (R3) и стока n-канального МОП-транзистора VT2, подключен к первому выводу конденсатора 6 (С2), второй вывод которого подключен к входу усилителя 2, конденсатор 6 (С2) используется для гальванической развязки входа усилителя 2 от выходных цепей дифференциального каскада 1.The output of the differential stage 1, the union point of the second output of the resistor 9 (R3) and the drain of the n-channel MOSFET VT2, is connected to the first output of the capacitor 6 (C2), the second output of which is connected to the input of the amplifier 2, the capacitor 6 (C2) is used for galvanic isolation of the input of the amplifier 2 from the output circuits of the differential stage 1.
Устройство работает следующим образом. Дифференциальный каскад 1 представляет собой усилитель, построенный из двух симметричных плеч, каждое из которых представляет собой самостоятельный усилительный каскад. Усилители связаны между собой истоками транзисторов VT1, VT2 и резистором 15. При полной симметрии все параметры левой половинки дифференциального каскада должны в точности равняться соответствующим параметрам правой половинки.The device operates as follows. Differential stage 1 is an amplifier built of two symmetrical arms, each of which is an independent amplification stage. The amplifiers are interconnected by the sources of transistors VT1, VT2 and resistor 15. With full symmetry, all parameters of the left half of the differential cascade must exactly equal the corresponding parameters of the right half.
Дифференциальный каскад 1 может быть рассчитан одним из известных методов: аналитическим или графоаналитическим. При этом ток рабочей точки рекомендуется выбирать равным IDZ (см. фиг.3). Именно эта величина тока транзистора является наиболее целесообразной для транзисторов дифференциального каскада 1, так как дрейф рабочих точек мало зависит от неточности подбора идентичной пары полевых транзисторов VT1, VT2. Кроме того, при расчете дифференциального каскада 1 необходимо добиться максимального значения коэффициента усиления полезного (парафазного или дифференциального) сигнала.Differential cascade 1 can be calculated by one of the known methods: analytical or graphoanalytical. In this case, the current of the operating point is recommended to be selected equal to I DZ (see figure 3). It is this current value of the transistor that is most suitable for transistors of differential stage 1, since the drift of the operating points depends little on the inaccuracy of selecting an identical pair of field-effect transistors VT1, VT2. In addition, when calculating the differential stage 1, it is necessary to achieve the maximum value of the gain of the useful (paraphase or differential) signal.
Через кварцевый резонатор 4 протекает ток IQZ, определяемый суммой двух составляющих:A current I QZ flows through the quartz resonator 4, which is determined by the sum of two components:
где: UIN - переменное входное напряжение;where: U IN - alternating input voltage;
ZK - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 5 (QZ);Z K is the impedance of the resonant branch of the quartz resonator 5 (QZ);
RK, LK, CK - эквивалентные параметры кварцевого резонатора (см. фиг.4).R K , L K , C K - equivalent parameters of a quartz resonator (see figure 4).
Составляющая тока кварцевого резонатора 4, обусловленная его статической емкостью С0 (см. фиг.4), искажает АЧХ и ФЧХ резонатора и, как следствие, уменьшает реальную добротность и крутизну фазочастотной характеристики резонатора и, соответственно, ухудшает стабильность частоты генератора.The current component of the quartz resonator 4, due to its static capacitance C 0 (see Fig. 4), distorts the frequency response and phase response of the resonator and, as a result, reduces the real quality factor and the slope of the phase-frequency characteristic of the resonator and, accordingly, degrades the frequency stability of the generator.
Компенсация составляющей тока статической емкости кварцевого резонатора 4 аналогична прототипу и осуществляется за счет емкостного тока конденсатора 5 (С1 на фиг.2).Compensation of the current component of the static capacitance of the quartz resonator 4 is similar to the prototype and is carried out due to the capacitive current of the capacitor 5 (C1 in figure 2).
Значение емкости нейтрализующего конденсатора 5 выбирается из соотношения:The value of the capacitance of the neutralizing capacitor 5 is selected from the ratio:
На практике С0 - очень малая величина (доли пФ), поэтомуIn practice, C 0 is a very small value (pF fractions), therefore
Следовательно, выражения (6), (7), (10) имеют вид:Therefore, the expressions (6), (7), (10) have the form:
В силу особенности дифференциального каскада 1 при выполнении условий (1), (2), (3), (4), (12), (13), (14), (15) синфазные токи статической емкости кварцевого резонатора 4 и нейтрализующего конденсатора 5 компенсируют друг друга (передаются на выход дифференциального каскада 1 со значительным ослаблением).Due to the peculiarity of differential cascade 1, when conditions (1), (2), (3), (4), (12), (13), (14), (15) and common-mode currents of the static capacitance of the quartz resonator 4 and the neutralizing capacitor are satisfied 5 compensate each other (transmitted to the output of differential stage 1 with significant attenuation).
Коэффициент передачи участка «первый вывод кварцевого резонатора 5 - вход дифференциального каскада 1» равен:The transfer coefficient of the plot "the first output of the quartz resonator 5 - input of the differential stage 1" is equal to:
Коэффициент усиления дифференциального сигнала равен:The gain of the differential signal is equal to:
где 
В усилителе 2 согласно фигуре 1 рабочая точка устанавливается автоматически, что обуславливает устойчивость работы усилителя. Рабочая точка при таком включении лежит на пересечении передаточной характеристики первой комплементарной пары МОП-транзисторов VT3-VT4 с прямой UВХ=UВЫХ. Ввиду высокого входного сопротивления транзисторов структуры МОП положение рабочей точки не зависит от сопротивления резистора R8 при изменении его в пределах от сотен Ом до нескольких десятков МОм. Значение коэффициента усиления первого звена усилителя 2 на комплементарной паре МОП-транзисторов VT3-VT4 не менее 30. Второе звено усилителя 2 на комплементарной паре МОП-транзисторов VT5-VT6 имеет коэффициент усиления примерно такой же величины и служит для увеличения общего коэффициента усиления. Таким образом, общий коэффициент усиления усилителя 2 составляет 900.In the amplifier 2 according to figure 1, the operating point is set automatically, which determines the stability of the amplifier. The operating point with this inclusion lies at the intersection of the transfer characteristic of the first complementary pair of MOSFETs VT3-VT4 with a straight line U IN = U OUT . Due to the high input resistance of the transistors of the MOS structure, the position of the operating point does not depend on the resistance of the resistor R8 when it changes from hundreds of ohms to several tens of megohms. The gain of the first link of amplifier 2 on a complementary pair of MOSFETs VT3-VT4 is at least 30. The second link of amplifier 2 on a complementary pair of MOSFETs VT5-VT6 has a gain of approximately the same magnitude and serves to increase the overall gain. Thus, the total gain of amplifier 2 is 900.
Фильтр нижних частот 3 должен формировать синусоидальный сигнал (приближенный по форме к синусоиде) на входе дифференциального каскада. В силу особенности усилителя 2, построенного на комплементарных парах МОП-транзисторов, и его высокого коэффициента усиления на вход фильтра поступает прямоугольная последовательность импульсов. Рассматривается случай, когда tИ=Т/2 (фигура 4).The low-pass filter 3 should form a sinusoidal signal (close in shape to a sinusoid) at the input of the differential stage. Due to the peculiarity of amplifier 2, built on complementary pairs of MOS transistors, and its high gain, a rectangular pulse train arrives at the input of the filter. The case is considered when t И = Т / 2 (figure 4).
Спектр такого сигнала имеет вид, изображенный на фигуре 5. Из анализа диаграммы, приведенной на фигуре 5, видно, что амплитуда четных (2, 4, 6 и т.д.) гармоник минимальна, и нет необходимости в их подавлении.The spectrum of such a signal has the form shown in figure 5. From the analysis of the diagram shown in figure 5, it can be seen that the amplitude of the even (2, 4, 6, etc.) harmonics is minimal, and there is no need to suppress them.
Однако нечетные гармоники (с номерами 3, 5, 7 и т.д.) необходимо максимально подавить для того, чтобы осталась только первая гармоника. В этом случае сигнал на выходе фильтра нижних частот 3 будет иметь максимально приближенную к синусоиде форму.However, the odd harmonics (with numbers 3, 5, 7, etc.) must be suppressed as much as possible so that only the first harmonic remains. In this case, the signal at the output of the low-pass filter 3 will have a shape as close as possible to the sine wave.
Частоты гармоник характеризуются соотношением 19.Harmonic frequencies are characterized by a ratio of 19.
Коэффициент передачи фильтра нижних частот согласно фигуре 1 определяется по формуле 20.The transmission coefficient of the low-pass filter according to figure 1 is determined by the formula 20.
Для упрощения расчета схемы принято следующее допущение:To simplify the calculation of the scheme, the following assumption is accepted:
R9=R10=R,R9 = R10 = R,
С3=С4=С.C3 = C4 = C.
Тогда выражение для определения коэффициента передачи фильтра имеет вид:Then the expression for determining the transmission coefficient of the filter has the form:
Решая уравнение 
Фильтр нижних частот согласно фигуре 2 необходимо настроить так, чтобы отношение амплитуд гармоник 1 и 3 было максимально.The low-pass filter according to figure 2 must be adjusted so that the ratio of the amplitudes of harmonics 1 and 3 is maximum.
При выполнении условия (23) автоматически подавляются гармоники высших порядков (5, 7, 9 и т.д.).When condition (23) is fulfilled, higher-order harmonics (5, 7, 9, etc.) are automatically suppressed.
Согласно соотношению (19) условие (23) можно записать в следующем виде:According to relation (19), condition (23) can be written in the following form:
Предельное значение выражения (24) с учетом формулы (21) определяется из выражения:The limiting value of expression (24), taking into account formula (21), is determined from the expression:
Полученное значение достигается при бесконечно большой частоте f, поэтому ограничимся значением Z(f) по уровню ослабления 3 дБ (
Данное условие (26) выполняется на частоте fХ This condition (26) is satisfied at a frequency f X
Решая уравнение 27, находим fХ Solving equation 27, we find f X
и отношение частот fХ к fП:and the ratio of frequencies f X to f P :
где m - коэффициент пересчета частот.where m is the frequency conversion factor.
Чтобы отношение амплитуд гармоник 1 и 3 на выходе фильтра нижних частот 3 было максимально, параметры фильтра определяются из следующего соотношения:To the ratio of the amplitudes of harmonics 1 and 3 at the output of the low-pass filter 3 was maximum, the filter parameters are determined from the following ratio:
Изложенное выше поясняется графиками, представленными на фигурах 6, 7 и 8, где изображены осциллограммы напряжений возбуждения прототипа, заявляемого генератора с использованием фильтра нижних частот 3 согласно предложенной настройке и генератора с использованием фильтра нижних частот по классической настройке соответственно.The foregoing is illustrated by the graphs presented in figures 6, 7 and 8, which shows the waveform of the excitation voltage of the prototype, the inventive generator using a low-pass filter 3 according to the proposed setting and the generator using a low-pass filter according to the classical setting, respectively.
Коэффициент передачи фильтра нижних частот 3 согласно предложенной настройке на частоте резонатора составит:The transmission coefficient of the low-pass filter 3 according to the proposed setting at the resonator frequency will be:
Для обеспечения устойчивой работы генератора необходимо выполнение двух условий:To ensure stable operation of the generator, two conditions must be met:
1) условие баланса амплитуд, которое заключается в том, что на частоте собственных колебаний резонатора должно выполняться соотношение 
2) условие баланса фаз, которое заключается в том, что автоколебания в замкнутом контуре возникают при условии, что коэффициент передачи разомкнутой системы является действительной величиной, т.е. суммарный фазовый сдвиг дифференциального каскада 1, усилителя 2, фильтра нижних частот 3 и резонатора 4 равен или кратен 2π. В этом случае усилитель 2 на частоте автоколебаний охвачен положительной обратной связью.2) the condition of phase balance, which consists in the fact that self-oscillations in a closed loop occur under the condition that the open-loop transmission coefficient is a real value, i.e. the total phase shift of the differential stage 1, amplifier 2, low-pass filter 3 and resonator 4 is equal to or a multiple of 2π. In this case, the amplifier 2 at the self-oscillation frequency is covered by positive feedback.
где KΣ - суммарный коэффициент передачи;where K Σ is the total transmission coefficient;
Ki, Kn - коэффициенты передачи i-го и n-го звена в контуре положительной обратной связи соответственно;K i , K n - transmission coefficients of the i-th and n-th link in the positive feedback loop, respectively;
φΣ - суммарный фазовый сдвиг;φ Σ is the total phase shift;
φi - фазовый сдвиг, вносимый i-м звеном в контуре обратной связи на частоте генерации.φ i is the phase shift introduced by the ith link in the feedback loop at the generation frequency.
В заявляемом генераторе условно можно выделить три звена, определяющих суммарный коэффициент передачи и суммарный фазовый сдвиг.In the inventive generator, it is conditionally possible to distinguish three links that determine the total transmission coefficient and the total phase shift.
Первое звено образовано кварцевым резонатором 4 и дифференциальным каскадом 1, его коэффициент передачи на резонансной частоте кварцевого резонатора 4 определяется произведением выражений (16), (17) и составляет K1=KIN·KД=0,5 (KIN=0,025; KД=20), а фазовый сдвиг φ1 близок к значению, равному π (180°).The first link is formed by a quartz resonator 4 and a differential cascade 1, its transmission coefficient at the resonant frequency of the quartz resonator 4 is determined by the product of expressions (16), (17) and is K 1 = K IN · K D = 0.5 (K IN = 0.025; K D = 20), and the phase shift φ 1 is close to the value equal to π (180 °).
Вторым звеном является усилитель 2, его коэффициент передачи зависит от выбранного схемотехнического варианта. В варианте согласно фигуре 1 коэффициент передачи соответствует выражению (18) K2=KУ=900, а фазовый сдвиг φ2 близок к значению, равному 0 (360°).The second link is the amplifier 2, its transmission coefficient depends on the selected circuitry option. In the embodiment according to figure 1, the transmission coefficient corresponds to the expression (18) K 2 = K Y = 900, and the phase shift φ 2 is close to a value equal to 0 (360 °).
Третьим звеном является фильтр нижних частот 3, его коэффициент передачи на резонансной частоте кварцевого резонатора 4 определяется выражением (31) K3=KФНЧ=0,3, а фазовый сдвиг φ3 близок к значению, равному -110° (250°).The third link is a low-pass filter 3, its transmission coefficient at the resonant frequency of the quartz resonator 4 is determined by the expression (31) K 3 = K low-pass filter = 0.3, and the phase shift φ 3 is close to -110 ° (250 °).
В заявляемом генераторе согласно фигуре 1 при указанных выше значениях коэффициента передачи и фазового сдвига каждого из звеньев значение суммарного коэффициента передачи в режиме малого сигнала на частоте, равной резонансной частоте резонатора 4, будет составлять KΣ=135, что обеспечивает первое условие (32) - условие «баланса амплитуд». Опережения по фазе, создаваемые фильтром нижних частот 3, компенсируются за счет выбора соответствующего значения емкости разделительного конденсатора 6 (С2). При этом выполняется условие «баланса фаз». Таким образом, выполнение условий (32) обеспечивает устойчивую генерацию на частоте, равной резонансной частоте резонатора 4 после подачи на генератор напряжения питания.In the inventive generator according to figure 1 with the above values of the transfer coefficient and phase shift of each link, the value of the total transfer coefficient in the small signal mode at a frequency equal to the resonant frequency of the resonator 4 will be K Σ = 135, which provides the first condition (32) - condition of "balance of amplitudes". The phase advance created by the low-pass filter 3 is compensated by choosing the appropriate value of the capacitance of the separation capacitor 6 (C2). In this case, the condition of "phase balance" is satisfied. Thus, the fulfillment of conditions (32) provides stable generation at a frequency equal to the resonant frequency of the resonator 4 after applying a supply voltage to the generator.
Процесс установления колебаний генератора начинается с очень малых амплитуд с синусоидальной неискаженной формой выходных сигналов и заканчивается сигналом прямоугольной формы на выходе генератора. Однако выходной сигнал генератора поступает на фильтр нижних частот 3, после которого приобретает приближенную к синусоиде форму (фигура 8), этот сигнал является напряжением возбуждения резонатора 4.The process of establishing oscillations of the generator begins with very small amplitudes with a sinusoidal undistorted shape of the output signals and ends with a rectangular signal at the output of the generator. However, the output signal of the generator is fed to a low-pass filter 3, after which it acquires an approximate shape to a sinusoid (figure 8), this signal is the excitation voltage of the resonator 4.
В заявляемом генераторе за счет того, что в дифференциальный каскад дополнительно введены семь резисторов, усилитель выполнен на двух комплементарных парах МОП-транзисторов, а в контур положительной обратной связи введен фильтр нижних частот, позволяет обеспечить возбуждение резонатора сигналом, форма которого приближена к синусоиде, увеличить уровень сигнала на выходе дифференциального каскада и уменьшить нестабильность суммарного фазового сдвига усилителя и, соответственно, повысить стабильность частоты генерации и обеспечить «мягкий» режим возбуждения резонатораIn the inventive generator, due to the fact that seven resistors are additionally introduced into the differential cascade, the amplifier is made up of two complementary pairs of MOS transistors, and a low-pass filter is introduced into the positive feedback loop, which allows the resonator to be excited by a signal whose shape is close to a sinusoid, increase the signal level at the output of the differential stage and reduce the instability of the total phase shift of the amplifier and, accordingly, increase the stability of the generation frequency and ensure "m soft "resonator excitation mode
Работоспособность предлагаемого технического решения экспериментально проверена и подтверждена испытаниями действующих макетов генератора с использованием частотозадающих резонаторов с частотами от 40 кГц до 100 кГц.The operability of the proposed technical solution has been experimentally verified and confirmed by testing existing models of the generator using frequency-setting resonators with frequencies from 40 kHz to 100 kHz.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011110414/08A RU2453983C1 (en) | 2011-03-18 | 2011-03-18 | Generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011110414/08A RU2453983C1 (en) | 2011-03-18 | 2011-03-18 | Generator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2453983C1 true RU2453983C1 (en) | 2012-06-20 |
Family
ID=46681219
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011110414/08A RU2453983C1 (en) | 2011-03-18 | 2011-03-18 | Generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2453983C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2504892C1 (en) * | 2012-12-04 | 2014-01-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Generator |
| RU2666226C1 (en) * | 2017-12-14 | 2018-09-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Оренбургский государственный университет" | Rc-generator |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2057391C1 (en) * | 1993-04-02 | 1996-03-27 | Акционерное общество "Минский часовой завод" | Crystal oscillator |
| EP1025635B1 (en) * | 1997-10-31 | 2003-06-18 | Telefonaktiebolaget L M Ericsson (Publ) | Crystal oscillator with agc and on-chip tuning |
| RU2231914C2 (en) * | 2002-07-16 | 2004-06-27 | Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики | Crystal oscillator |
| EP1638202A1 (en) * | 2004-09-21 | 2006-03-22 | Dialog Semiconductor GmbH | Oscillator with controlled current source |
| RU2290747C2 (en) * | 2005-01-12 | 2006-12-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Воронежский научно-исследовательский институт связи" | Frequency-controlled high-frequency crystal oscillator |
| RU2340078C1 (en) * | 2007-07-23 | 2008-11-27 | Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии | Generator |
| RU2394356C1 (en) * | 2009-02-13 | 2010-07-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Рязанский Приборный Завод" | Self-oscillator |
-
2011
- 2011-03-18 RU RU2011110414/08A patent/RU2453983C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2057391C1 (en) * | 1993-04-02 | 1996-03-27 | Акционерное общество "Минский часовой завод" | Crystal oscillator |
| EP1025635B1 (en) * | 1997-10-31 | 2003-06-18 | Telefonaktiebolaget L M Ericsson (Publ) | Crystal oscillator with agc and on-chip tuning |
| RU2231914C2 (en) * | 2002-07-16 | 2004-06-27 | Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики | Crystal oscillator |
| EP1638202A1 (en) * | 2004-09-21 | 2006-03-22 | Dialog Semiconductor GmbH | Oscillator with controlled current source |
| RU2290747C2 (en) * | 2005-01-12 | 2006-12-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Воронежский научно-исследовательский институт связи" | Frequency-controlled high-frequency crystal oscillator |
| RU2340078C1 (en) * | 2007-07-23 | 2008-11-27 | Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии | Generator |
| RU2394356C1 (en) * | 2009-02-13 | 2010-07-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Рязанский Приборный Завод" | Self-oscillator |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2504892C1 (en) * | 2012-12-04 | 2014-01-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Generator |
| RU2666226C1 (en) * | 2017-12-14 | 2018-09-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Оренбургский государственный университет" | Rc-generator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8816790B2 (en) | Self-biased amplitude-controlled oscillator with constant harmonic content | |
| WO2010008586A4 (en) | Low-noise high efficiency bias generation circuits and method | |
| Kochetov et al. | Higher-order nonlinear effects in a Josephson parametric amplifier | |
| Bhaskar et al. | New CFOA-based sinusoidal oscillators retaining independent control of oscillation frequency even under the influence of parasitic impedances | |
| RU2453983C1 (en) | Generator | |
| Sotner et al. | On the performance of electronically tunable fractional-order oscillator using grounded resonator concept | |
| RU2531871C1 (en) | Quartz oscillator | |
| CN107421524A (en) | A kind of quartz crystal oscillation drive circuit and its monolithic integrated optical circuit | |
| Kiliç et al. | A survey of Wien bridge-based chaotic oscillators: Design and experimental issues | |
| CN105897169A (en) | Frequency multiplier | |
| RU2504892C1 (en) | Generator | |
| RU2340078C1 (en) | Generator | |
| Scarsella et al. | A VCII-based RC Sinusoidal VFO as Capacitive Sensor Interfaces | |
| RU2595571C2 (en) | Method for generating and frequency modulating high-frequency signals and respective device | |
| RU2429557C1 (en) | Generator with automatic amplification adjustment | |
| CN103066921B (en) | Voltage-controlled oscillator with feedback and circuit provided with the same | |
| RU2707394C2 (en) | Generator | |
| CN103107772B (en) | Voltage controlled oscillator and circuit with good phase noise performance | |
| RU2523945C1 (en) | Quartz oscillator | |
| Li | RC oscillators based on high‐Q frequency‐selecting network | |
| RU2390919C1 (en) | Controlled ac amplifier | |
| Sotner et al. | Practical design of fractional-order resonator for application in the multiphase oscillator | |
| RU2429556C1 (en) | Generator | |
| RU2598689C2 (en) | Method of generating high-frequency signals and device therefor | |
| CN1327303A (en) | Method for improving stability of operation amplifier circuit under determined frequency |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TC4A | Change in inventorship |
Effective date: 20130514 |