RU2504892C1 - Generator - Google Patents

Generator Download PDF

Info

Publication number
RU2504892C1
RU2504892C1 RU2012152079/08A RU2012152079A RU2504892C1 RU 2504892 C1 RU2504892 C1 RU 2504892C1 RU 2012152079/08 A RU2012152079/08 A RU 2012152079/08A RU 2012152079 A RU2012152079 A RU 2012152079A RU 2504892 C1 RU2504892 C1 RU 2504892C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
capacitor
amplifier
mos transistors
resistors
Prior art date
Application number
RU2012152079/08A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Владимирович Топоров
Алексей Валерьевич Ванин
Александр Иванович Верещагин
Сергей Васильевич Колесников
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Федеральное Государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом", Федеральное Государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority to RU2012152079/08A priority Critical patent/RU2504892C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2504892C1 publication Critical patent/RU2504892C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: generator contains electromechanical resonator and neutralising capacitor, differential staged based on two MOS-transistors with the same conductivity type, amplifier including in-series four complementary pairs of MOS-transistors, low-pass filter.
EFFECT: excluding permanent component of excitation voltage at resonator input and increasing amplification factor for amplifier.
3 dwg

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 №2453983 от 18.03.2011 г., опубликован в Б.И. №17 от 20.06.2012), который содержит 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, 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 шестого 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 резисторов подключены к стокам МОП-транзисторов, истоки которых объединены между собой и подключены ко второму выводу седьмого резистора, выход усилителя является выходом устройства.The famous "Generator" (see RF patent No. 2453983 dated March 18, 2011, published in BI No. 17 dated June 20, 2012), which contains 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 input of the amplifier, which is made on two complementary pairs of MOS transistors, a low-pass filter, 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 electromechanical a resonator and a neutralizing capacitor, while 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 the power bus is connected to the first terminals of the fifth, sixth and seventh resistors, the second terminals of the fifth and sixth resistors are connected to the gates of the first and second MOS transistors, to the second th and the first terminal of the fourth resistor and to the second terminal of the electromechanical resonator and a neutralizing capacitor, respectively, the second terminals of the second and third resistors are connected to the drains of MOS transistors whose sources are tied together and connected to the second terminal of the seventh resistor, the amplifier output is the output device.

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:

- нестабильность его частоты вследствие изменении постоянной составляющей напряжения возбуждения при изменении режима работы каскадов усилителя под действием внешних факторов эксплуатации (изменение напряжения питания, температуры окружающей среды, хранения и проч.);- instability of its frequency due to a change in the constant component of the excitation voltage when changing the operation mode of the amplifier cascades under the influence of external operating factors (change in supply voltage, ambient temperature, storage, etc.);

- относительно значительное время выхода в рабочий режим по причине недостаточного коэффициента усиления.- a relatively significant time to enter the operating mode due to insufficient gain.

Решаемой технической задачей является создание генератора с кварцевым частотозадающим резонатором с повышенной стабильностью частоты генерации и малым временем выхода в рабочий режим.The technical 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 short exit time to the operating mode.

Достигаемым техническим результатом является исключение постоянной составляющей напряжения возбуждения на входе резонатора и увеличение коэффициента усиления усилителя.Achievable technical result is the elimination of the constant component of the excitation voltage at the input of the resonator and an increase in the gain of the amplifier.

Для достижения технического результата в генераторе, содержащем электромеханический резонатор и нейтрализующий конденсатор, первые выводы которых соединены между собой, дифференциальный каскад на двух МОП-транзисторах с одинаковым типом проводимости, выход которого через первый конденсатор соединен со входом усилителя, включающим в себя последовательно соединенные комплементарные пары МОП-транзисторов, выход усилителя является выходом устройства и соединен со входом фильтра нижних частот, при этом в дифференциальном каскаде стоки первого и второго МОП-транзисторов подключены через первый и второй резисторы к плюсовой шине питания и к первым выводам третьего и четвертого резисторов, вторые выводы которых соединены с затворами первого и второго МОП-транзисторов и через пятый и шестой резисторы подключены к минусовой шине питания и первому выводу седьмого резистора, второй вывод которого соединен с истоками первого и второго МОП-транзисторов, затворы которых соединены со вторыми выводами нейтрализующего конденсатора и электромеханического резонатора соответственно, новым является то, что в усилитель дополнительно введены две комплементарные пары, соединенные с имеющимися последовательно, причем выход последней из которых через восьмой резистор соединен с выходом предыдущей комплементарной пары и через последовательно соединенные девятый и десятый резисторы соединен со входом первой комплементарной пары, выход которой соединен с выходом последующей комплементарной пары через одиннадцатый резистор, при этом общая точка соединения девятого и десятого резисторов через второй конденсатор подключена к минусовой шине питания, выход фильтра нижних частот соединен через дополнительно введенный третий конденсатор с общей точкой соединения первых выводов электромеханического резонатора и нейтрализующего конденсатора.To achieve a technical result in a generator containing an electromechanical resonator and a neutralizing capacitor, the first conclusions of which are connected to each other, a differential cascade on two MOS transistors with the same type of conductivity, the output of which through the first capacitor is connected to the input of the amplifier, including complementary pairs connected in series MOS transistors, the amplifier output is the output of the device and is connected to the input of the low-pass filter, while in the differential cascade of drains the first and second MOSFETs are connected through the first and second resistors to the positive power bus and to the first terminals of the third and fourth resistors, the second terminals of which are connected to the gates of the first and second MOSFETs and through the fifth and sixth resistors are connected to the negative power bus and the first the output of the seventh resistor, the second output of which is connected to the sources of the first and second MOS transistors, the gates of which are connected to the second terminals of the neutralizing capacitor and the electromechanical resonator, respectively It is new, that two complementary pairs connected to the existing ones are additionally introduced into the amplifier, the output of the last of which through the eighth resistor is connected to the output of the previous complementary pair and through the ninth and tenth resistors connected in series is connected to the input of the first complementary pair, the output which is connected to the output of the subsequent complementary pair through the eleventh resistor, while the common connection point of the ninth and tenth resistors through the second capacitor Keys to the negative supply rail, the lowpass filter output is connected via a third capacitor is further inputted with a common connection point of first terminals of the electromechanical resonator and the neutralizing capacitor.

Введение в генератор конденсатора и дополнительных комплементарных пар МОП-транзисторов в усилитель позволяет исключить постоянную составляющую напряжения возбуждения на входе резонатора и увеличить коэффициент усиления усилителя в заявляемом генераторе. Выходное напряжение генератора является входным напряжением фильтра нижних частот, а напряжение возбуждения формируется на третьем конденсаторе и подается на частотозадающий резонатор. Фильтр нижних частот настраивается так, чтобы отношение первой и третьей гармоник на его выходе было максимальным.The introduction into the generator of the capacitor and additional complementary pairs of MOS transistors in the amplifier eliminates the constant component of the excitation voltage at the input of the resonator and increases the gain of the amplifier in the inventive generator. The output voltage of the generator is the input voltage of the low-pass filter, and the excitation voltage is formed on the third capacitor and is supplied 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.The figure 1 presents a schematic diagram of the inventive device.

На фигуре 2 представлена эквивалентная схема кварцевого резонатора.The figure 2 presents the equivalent circuit of a quartz resonator.

На фигуре 3 показана зависимость передаточной характеристики полевого транзистора от температуры.The figure 3 shows the dependence of the transfer characteristics of the field effect transistor on temperature.

На фигуре 4 изображена эпюра напряжения сигнала на входе фильтра нижних частот.The figure 4 shows a plot of the voltage signal at the input of the low-pass filter.

На фигуре 5 представлен спектр сигнала на входе фильтра нижних частот.The figure 5 presents the spectrum of the signal at the input of the low-pass filter.

На фигуре 6 изображена эпюра напряжения возбуждения заявляемого генератора.The figure 6 shows a plot of the excitation voltage of the inventive generator.

Генератор (см. фиг.1) содержит электромеханический резонатор 1 и нейтрализующий конденсатор 2, первые выводы которых соединены между собой, дифференциальный каскад 3 на двух n-канальных МОП-транзисторах 4 и 5, выход которого через конденсатор 6 соединен со входом усилителя 7, включающим в себя последовательно соединенные комплементарные пары МОП-транзисторов 8, 9, при этом выход усилителя 7 является выходом устройства и соединен со входом фильтра нижних частот 10, при этом в дифференциальном каскаде 3 стоки n-канальных МОП-транзисторов 4 и 5 подключены через 11 и 12 резисторы к плюсовой шине питания 13 и первым выводам 14 и 15 резисторов, вторые выводы которых соединены с затворами 4 и 5 n-канальных МОП-транзисторов и через 16 и 17 резисторы подключены к минусовой шине питания 18 и первому выводу резистора 19, второй вывод которого соединен с истоками 4 и 5 n-канальных МОП-транзисторов, затворы которых соединены со вторыми выводами нейтрализующего конденсатора 2 и электромеханического резонатора 1 соответственно, в усилитель 7 дополнительно введены две комплементарные пары МОП-транзисторов 20 и 21, соединенные с имеющимися комплементарными парами 8 и 9 последовательно, причем выход 21 комплементарной пары через резистор 22 соединен с выходом комплементарной пары МОП-транзисторов 20 и через последовательно соединенные резисторы 23, 24 соединен со входом комплементарной пары 8, выход которой соединен с выходом комплементарной пары МОП-транзисторов 9 через резистор 25, при этом общая точка соединения резисторов 23, 24 через конденсатор 26 подключена к минусовой шине питания 18, при этом истоки p-канальных МОП-транзисторов, входящих в состав комплементарных пар 8, 9, 20, 21, подключены к плюсовой шине питания 13, а истоки n-канальных МОП-транзисторов, входящих в состав комплементарных пар 8, 9, 20, 21, подключены к минусовой шине питания 18, выход фильтра нижних частот 10 соединен через конденсатор 27 с общей точкой соединения первых выводов электромеханического резонатора 1 и нейтрализующего конденсатора 2.The generator (see Fig. 1) contains an electromechanical resonator 1 and a neutralizing capacitor 2, the first terminals of which are connected to each other, a differential stage 3 on two n-channel MOS transistors 4 and 5, the output of which is connected through the capacitor 6 to the input of the amplifier 7, including complementary pairs of MOS transistors 8, 9 connected in series, while the output of the amplifier 7 is the output of the device and connected to the input of the low-pass filter 10, while in the differential stage 3 the drains of the n-channel MOS transistors 4 and 5 are connected They are connected through 11 and 12 resistors to the positive power bus 13 and the first conclusions 14 and 15 of the resistors, the second conclusions of which are connected to the gates of 4 and 5 n-channel MOS transistors and through 16 and 17 resistors are connected to the negative power bus 18 and the first output of the resistor 19, the second terminal of which is connected to the sources of 4 and 5 n-channel MOS transistors, the gates of which are connected to the second terminals of the neutralizing capacitor 2 and the electromechanical resonator 1, respectively, two complementary pairs of MOS transistors 20 and 21 are additionally introduced into the amplifier 7, connected to the existing complementary pairs 8 and 9 in series, with the output 21 of the complementary pair through the resistor 22 connected to the output of the complementary pair of MOS transistors 20 and through the series-connected resistors 23, 24 connected to the input of the complementary pair 8, the output of which is connected to the output of the complementary MOS pair -transistors 9 through a resistor 25, while the common connection point of the resistors 23, 24 through a capacitor 26 is connected to the negative power bus 18, while the sources of p-channel MOS transistors included in the set Mental pairs 8, 9, 20, 21 are connected to the positive power bus 13, and the sources of n-channel MOS transistors that are part of the complementary pairs 8, 9, 20, 21 are connected to the negative power bus 18, low-pass filter output 10 is connected through a capacitor 27 to a common point of connection of the first terminals of the electromechanical resonator 1 and the neutralizing capacitor 2.

Выход дифференциального каскада 3, точка объединения второго вывода резистора 12 и стока n-канального МОП-транзистора 5, подключен к первому выводу конденсатора 6, второй вывод которого подключен к входу усилителя 7, конденсатор 6 используется для гальванической развязки входа усилителя 7 от выходных цепей дифференциального каскада 3. Фильтр нижних частот 10 состоит из двух последовательно соединенных интегрирующих RC-цепочек: 28-29, 30-31.The output of the differential stage 3, the union point of the second output of the resistor 12 and the drain of the n-channel MOS transistor 5, is connected to the first output of the capacitor 6, the second output of which is connected to the input of the amplifier 7, the capacitor 6 is used for galvanic isolation of the input of the amplifier 7 from the output circuits of the differential cascade 3. The low-pass filter 10 consists of two series-connected integrating RC-chains: 28-29, 30-31.

Устройство работает следующим образом. Дифференциальный каскад 3 представляет собой усилитель, построенный из двух симметричных плеч, каждое из которых представляет собой самостоятельный усилительный каскад. Усилители связаны между собой истоками транзисторов 4, 5 и резистором 19. При полной симметрии все параметры правой и левой частей дифференциального каскада должны быть равны между собой.The device operates as follows. Differential cascade 3 is an amplifier built of two symmetrical arms, each of which is an independent amplification cascade. The amplifiers are interconnected by the sources of transistors 4, 5 and resistor 19. With full symmetry, all parameters of the right and left parts of the differential cascade must be equal to each other.

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Дифференциальный каскад 3 может быть рассчитан аналитическим или графоаналитическим методом. При этом ток рабочей точки рекомендуется выбирать равным IDZ (см. фиг.3). Именно эта величина тока транзистора является наиболее целесообразной для транзисторов 4, 5 дифференциального каскада 3, так как дрейф рабочих точек мало зависит от неточности подбора идентичной пары полевых транзисторов 4, 5. Кроме того, при расчете дифференциального каскада 3 необходимо добиться максимального значения коэффициента усиления полезного (парафазного или дифференциального) сигнала.Differential cascade 3 can be calculated by analytical or graphoanalytical method. 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 4, 5 of the differential stage 3, since the drift of the operating points does not depend much on the inaccuracy of selecting an identical pair of field effect transistors 4, 5. In addition, when calculating the differential stage 3, it is necessary to achieve the maximum value of the gain (paraphase or differential) signal.

Через кварцевый резонатор 1 протекает ток IQZ, определяемый суммой двух составляющих:A current I QZ flows through the quartz resonator 1, which is determined by the sum of two components:

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

Figure 00000007
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

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);

RIN - входное сопротивление дифференциального каскада;R IN - input impedance of the differential stage;

RK, LK, CK - эквивалентные параметры кварцевого резонатора (см. фиг.2).R K , L K , C K - equivalent parameters of a quartz resonator (see figure 2).

Составляющая тока кварцевого резонатора 1, обусловленная его статической емкостью С0 (см. фиг.2), 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 1, due to its static capacitance C 0 (see Fig. 2), distorts the frequency response and phase response of the resonator and, as a result, reduces the real quality factor and the steepness of the phase-frequency characteristic of the resonator and, accordingly, degrades the frequency stability of the generator.

Компенсация составляющей тока статической емкости кварцевого резонатора 1 аналогична прототипу и осуществляется за счет емкостного тока нейтрализующего конденсатора 2.Compensation of the current component of the static capacitance of the quartz resonator 1 is similar to the prototype and is carried out due to the capacitive current of the neutralizing capacitor 2.

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
Figure 00000011

Значение емкости нейтрализующего конденсатора 2 выбирается из соотношения:The value of the capacitance of the neutralizing capacitor 2 is selected from the ratio:

Figure 00000012
Figure 00000012

На практике С0 очень малая величина (доли пФ), поэтомуIn practice, C0 is a very small value (fractions of pF), therefore

Figure 00000013
,
Figure 00000014
, XC2>>RIN
Figure 00000013
,
Figure 00000014
, X C2 >> R IN

Следовательно, выражения (6), (7), (10) имеют вид:Therefore, the expressions (6), (7), (10) have the form:

Figure 00000015
Figure 00000015

Figure 00000016
Figure 00000016

Figure 00000017
Figure 00000017

В силу особенности дифференциального каскада 3 при выполнении условий (1), (2), (3), (4), (12), (13), (14), (15) синфазные токи статической емкости кварцевого резонатора 1 и нейтрализующего конденсатора 2 компенсируют друг друга (передаются на выход дифференциального каскада 3 со значительным ослаблением).Due to the peculiarity of differential cascade 3, when conditions (1), (2), (3), (4), (12), (13), (14), and (15) are satisfied, the common-mode currents of the static capacitance of quartz resonator 1 and a neutralizing capacitor 2 cancel each other (transmitted to the output of the differential stage 3 with significant attenuation).

Коэффициент передачи участка «первый вывод кварцевого резонатора 1 - вход дифференциального каскада 3» равен:The transfer coefficient of the plot "the first output of the quartz resonator 1 is the input of the differential cascade 3" is equal to:

Figure 00000018
Figure 00000018

Коэффициент усиления дифференциального сигнала равен:The gain of the differential signal is equal to:

Figure 00000019
Figure 00000019

где

Figure 00000020
- крутизна транзистора,Where
Figure 00000020
- transistor slope,

Figure 00000021
- дифференциальное выходное сопротивление.
Figure 00000021
- differential output impedance.

В усилителе 7, согласно фигуре 1, рабочая точка устанавливается автоматически, что обуславливает устойчивость работы усилителя. Рабочая точка при таком включении лежит на пересечении передаточной характеристики комплементарной пары МОП-транзисторов 8 с прямой UBX=UВЫХ. Ввиду высокого входного сопротивления транзисторов структуры МОП положение рабочей точки не зависит от сопротивления резисторов 23 и 24 при изменении его в пределах от сотен Ом до нескольких десятков МОм. Значение коэффициента усиления комплементарных пар 8, 9 МОП-транзисторов не менее 20. Дополнительно введенные комплементарные пары 20, 21 имеют коэффициент усиления, также равный 20, и необходимы для увеличения общего коэффициента усиления усилителя 7, который составляет 204.In the amplifier 7, 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 a complementary pair of MOS transistors 8 with a straight line U BX = 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 resistors 23 and 24 when it changes from hundreds of ohms to several tens of megohms. The gain of the complementary pairs of 8, 9 MOS transistors is not less than 20. Additionally introduced complementary pairs of 20, 21 have a gain also equal to 20, and are necessary to increase the overall gain of the amplifier 7, which is 20 4 .

Figure 00000022
Figure 00000022

На вход фильтра нижних частот 10 поступает от усилителя 7 прямоугольная последовательность импульсов, которую он преобразовывает в сигнал синусоидальной формы (или приближенный по форме к синусоиде).At the input of the low-pass filter 10, a rectangular pulse sequence is supplied from the amplifier 7, which it converts into a sinusoidal waveform (or close in shape to a sinusoid).

Рассмотрим случай, когда прямоугольная последовательность импульсов характеризуется следующим выражением tИ=Т/2 (см. фиг.4).Consider the case when the rectangular pulse sequence is characterized by the following expression t AND = T / 2 (see figure 4).

Спектр такого сигнала представлен на фигуре 5. Из анализа диаграммы видно, что амплитуда четных (2, 4, 6 и т.д.) гармоник минимальна, и нет необходимости в их подавлении. 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 10 будет иметь максимально приближенную к синусоиде форму.The spectrum of such a signal is shown in figure 5. From the analysis of the diagram 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. 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 10 will have a shape as close as possible to the sine wave.

Частоты гармоник характеризуются соотношением:Harmonic frequencies are characterized by the ratio:

Figure 00000023
Figure 00000023

В качестве фильтра нижних частот рассмотрим фильтр, состоящий из двух звеньев простейших RC цепочек.As a low-pass filter, we consider a filter consisting of two links of the simplest RC chains.

Коэффициент передачи фильтра нижних частот 10 согласно фигуре 1 определяется по формуле:The transmission coefficient of the low-pass filter 10 according to figure 1 is determined by the formula:

Figure 00000024
Figure 00000024

Для упрощения расчета схемы принято следующее допущение:To simplify the calculation of the scheme, the following assumption is accepted:

R28=R30=R,R28 = R30 = R,

C29=C31=C.C29 = C31 = C.

Тогда выражение для определения коэффициента передачи фильтра имеет вид:Then the expression for determining the transmission coefficient of the filter has the form:

Figure 00000025
Figure 00000025

Решая уравнение

Figure 00000026
, находим выражение для определения полосы пропускания ƒП фильтра.Solving the equation
Figure 00000026
, we find the expression for determining the passband ƒ П of the filter.

Figure 00000027
Figure 00000027

Фильтр нижних частот 1 необходимо настроить так, чтобы отношение амплитуд гармоник 1 и 3 после прохождения фильтра было максимальным.The low-pass filter 1 must be adjusted so that the ratio of the amplitudes of harmonics 1 and 3 after passing through the filter is maximum.

Figure 00000028
Figure 00000028

Изложенное выше поясняется графиком, представленным на фигуре 6, где изображена осциллограмма напряжения возбуждения заявляемого генератора с использованием фильтра нижних частот 11, согласно предложенной настройке, коэффициент передачи которого на частоте резонатора составит:The above is illustrated by the graph shown in figure 6, which shows the waveform of the excitation voltage of the inventive generator using a low-pass filter 11, according to the proposed setting, the transfer coefficient of which at the resonator frequency will be:

Figure 00000029
Figure 00000029

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

Figure 00000030
. В этом случае амплитуда колебаний стремится возрастать до тех пор, пока усилитель 7 не попадает в нелинейную область, где наступает ограничение амплитуды;1) the condition of the balance of the amplitudes, which consists in the fact that the ratio
Figure 00000030
. In this case, the amplitude of the oscillations tends to increase until the amplifier 7 falls into the nonlinear region where the amplitude is limited;

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 3, усилителя 7, фильтра нижних частот 10 и резонатора 1 равен или кратен 2π. В этом случае усилитель 7 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 3, amplifier 7, low pass filter 10 and resonator 1 is equal to or a multiple of 2π. In this case, the amplifier 7 at the self-oscillation frequency is covered by positive feedback.

Figure 00000031
Figure 00000031

где КΣ - суммарный коэффициент передачи;where K Σ is the total transmission coefficient;

Ki, Kn - коэффициенты передачи i-го и n-го звеньев в контуре положительной обратной связи соответственно;K i , K n - transmission coefficients of the i-th and n-th links 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 1 и дифференциальным каскадом 3, его коэффициент передачи на резонансной частоте кварцевого резонатора 1 определяется произведением выражений (16), (17) и составляет К1=KIN·КД=0,5 (KIN=0,025; КД=20), а фазовый сдвиг φ1 близок к значению, равному π (180°).The first link is formed by a quartz resonator 1 and a differential cascade 3, its transmission coefficient at the resonant frequency of the quartz resonator 1 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 7, его коэффициент передачи зависит от выбранного схемотехнического варианта. В варианте, согласно фигуре 1, коэффициент передачи соответствует выражению (18) КУ=160000, а фазовый сдвиг φ2 близок к значению, равному 0 (360°).The second link is the amplifier 7, 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 Y = 160000, and the phase shift φ 2 is close to a value equal to 0 (360 °).

Третьим звеном является фильтр нижних частот 10, его коэффициент передачи на резонансной частоте кварцевого резонатора 1 определяется выражением (24) К3ФНЧ=0,3, а фазовый сдвиг φ3 близок к значению, равному -110° (250°).The third link is a low-pass filter 10, its transmission coefficient at the resonant frequency of the quartz resonator 1 is determined by the expression (24) 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 1, будет составлять KΣ=24000, что обеспечивает первое условие (32) - условие «баланса амплитуд». Опережения по фазе, создаваемые фильтром нижних частот 10, компенсируются за счет выбора соответствующего значения емкости разделительного конденсатора 6. При этом выполняется условие «баланса фаз». Таким образом, выполнение условий (25) обеспечивает устойчивую генерацию на частоте, равной резонансной частоте резонатора 1 после подачи на генератор напряжения питания.In the inventive generator, according to figure 1, with the above values of the transmission coefficient and phase shift of each link, the value of the total transmission coefficient in the mode of a small signal at a frequency equal to the resonant frequency of the resonator 1 will be K Σ = 24000, which provides the first condition ( 32) - the condition of the "balance of amplitudes". The phase advance created by the low-pass filter 10 is compensated by selecting the appropriate value of the capacitance of the separation capacitor 6. In this case, the condition of "phase balance" is fulfilled. Thus, the fulfillment of conditions (25) ensures stable generation at a frequency equal to the resonant frequency of the resonator 1 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 10, после которого приобретает приближенную к синусоиде форму (фигура 6). Этот сигнал является напряжением возбуждения резонатора 1.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 generator output signal is fed to a low-pass filter 10, after which it acquires a shape close to a sinusoid (figure 6). This signal is the excitation voltage of the resonator 1.

В заявляемом генераторе за счет введения конденсатора и дополнительных комплементарных пар МОП-транзисторов в усилитель позволило исключить постоянную составляющую напряжения возбуждения на входе резонатора и увеличить коэффициент усиления усилителя, повысить стабильность частоты генерации и уменьшить время выхода генератора в рабочий режим генерации.In the inventive generator, due to the introduction of a capacitor and additional complementary pairs of MOS transistors into the amplifier, it is possible to exclude the constant component of the excitation voltage at the resonator input and increase the gain of the amplifier, increase the stability of the generation frequency and reduce the time the generator goes into the operating mode of generation.

Работоспособность предлагаемого технического решения экспериментально проверена и подтверждена испытаниями действующих макетов генератора с использованием частотозадающих резонаторов с частотами от 20 кГц до 200 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 20 kHz to 200 kHz.

Claims (1)

Генератор, содержащий электромеханический резонатор и нейтрализующий конденсатор, первые выводы которых соединены между собой, дифференциальный каскад на двух МОП-транзисторах с одинаковым типом проводимости, выход которого через первый конденсатор соединен со входом усилителя, включающим в себя последовательно соединенные комплементарные пары МОП-транзисторов, выход усилителя является выходом устройства и соединен со входом фильтра нижних частот, при этом в дифференциальном каскаде стоки первого и второго МОП-транзисторов подключены через первый и второй резисторы к плюсовой шине питания и к первым выводам третьего и четвертого резисторов, вторые выводы которых соединены с затворами первого и второго МОП-транзисторов и через пятый и шестой резисторы подключены к минусовой шине питания и первому выводу седьмого резистора, второй вывод которого соединен с истоками первого и второго МОП-транзисторов, затворы которых соединены со вторыми выводами нейтрализующего конденсатора и электромеханического резонатора соответственно, отличающийся тем, что в усилитель дополнительно введены две комплементарные пары, соединенные с имеющимися последовательно, причем выход последней из которых через восьмой резистор соединен с выходом предыдущей комплементарной пары и через последовательно соединенные девятый и десятый резисторы соединен со входом первой комплементарной пары, выход которой соединен с выходом последующей комплементарной пары через одиннадцатый резистор, при этом общая точка соединения девятого и десятого резисторов через второй конденсатор подключена к минусовой шине питания, выход фильтра нижних частот соединен через дополнительно введенный третий конденсатор с общей точкой соединения первых выводов электромеханического резонатора и нейтрализующего конденсатора. A generator containing an electromechanical resonator and a neutralizing capacitor, the first conclusions of which are connected to each other, a differential cascade on two MOS transistors with the same type of conductivity, the output of which through the first capacitor is connected to the input of the amplifier, which includes series-connected complementary pairs of MOS transistors, the output the amplifier is the output of the device and is connected to the input of the low-pass filter, while in the differential stage the drains of the first and second MOS transistors are connected They are connected through the first and second resistors to the positive power bus and to the first terminals of the third and fourth resistors, the second conclusions of which are connected to the gates of the first and second MOS transistors and through the fifth and sixth resistors are connected to the negative power bus and the first terminal of the seventh resistor, the second terminal which is connected to the sources of the first and second MOS transistors, the gates of which are connected to the second terminals of the neutralizing capacitor and the electromechanical resonator, respectively, characterized in that the additional Two complementary pairs are connected to the existing one in series, the output of the last of which through the eighth resistor is connected to the output of the previous complementary pair and through the ninth and tenth resistors connected in series is connected to the input of the first complementary pair, the output of which is connected to the output of the subsequent complementary pair through the eleventh a resistor, while the common connection point of the ninth and tenth resistors is connected to the negative power bus through the second capacitor, the output is fil Three low frequencies are connected through an additionally introduced third capacitor to a common point of connection of the first terminals of the electromechanical resonator and the neutralizing capacitor.
RU2012152079/08A 2012-12-04 2012-12-04 Generator RU2504892C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012152079/08A RU2504892C1 (en) 2012-12-04 2012-12-04 Generator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012152079/08A RU2504892C1 (en) 2012-12-04 2012-12-04 Generator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2504892C1 true RU2504892C1 (en) 2014-01-20

Family

ID=49948090

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012152079/08A RU2504892C1 (en) 2012-12-04 2012-12-04 Generator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2504892C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030117200A1 (en) * 2001-12-26 2003-06-26 Koh Kwang Jin Active quadrature signal generator using load having low-pass and high-pass filter characteristics
RU2340078C1 (en) * 2007-07-23 2008-11-27 Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии Generator
RU2429556C1 (en) * 2010-04-20 2011-09-20 Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Generator
RU2453983C1 (en) * 2011-03-18 2012-06-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" Generator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030117200A1 (en) * 2001-12-26 2003-06-26 Koh Kwang Jin Active quadrature signal generator using load having low-pass and high-pass filter characteristics
RU2340078C1 (en) * 2007-07-23 2008-11-27 Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии Generator
RU2429556C1 (en) * 2010-04-20 2011-09-20 Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Generator
RU2453983C1 (en) * 2011-03-18 2012-06-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" Generator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. A new resistorless and electronic tunable third-order quadrature oscillator with current and voltage outputs
Srinivasulu Current conveyor based relaxation oscillator with tunable grounded resistor/capacitor
Bhaskar et al. New CFOA-based sinusoidal oscillators retaining independent control of oscillation frequency even under the influence of parasitic impedances
Teodorescu et al. Complex signal generators based on capacitors and on piezoelectric loads
US8860518B1 (en) Current-feedback operational-amplifier based relaxation oscillator
RU2496192C2 (en) Method for generation and frequency-modulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method
RU2450416C1 (en) Quartz crystal oscillator
RU2504892C1 (en) Generator
RU2453983C1 (en) Generator
Kiliç et al. A survey of Wien bridge-based chaotic oscillators: Design and experimental issues
RU2450415C1 (en) Quartz crystal oscillator
Pittala et al. A sinusoidal oscillator using single operational transresistance amplifier
Pandey et al. Multiphase sinusoidal oscillators using operational trans-resistance amplifier
RU2301491C1 (en) Crystal oscillator
RU2707394C2 (en) Generator
RU2523945C1 (en) Quartz oscillator
Li RC oscillators based on high‐Q frequency‐selecting network
RU2340078C1 (en) Generator
Filanovsky et al. Source follower: A misunderstood humble circuit
RU2429557C1 (en) Generator with automatic amplification adjustment
CN103066921B (en) Voltage-controlled oscillator with feedback and circuit provided with the same
RU2666226C1 (en) Rc-generator
Sotner et al. Electronically linearly voltage controlled second-order harmonic oscillator with multiples of π/4 phase shifts
RU2725311C1 (en) Generator
Sotner et al. Practical design of fractional-order resonator for application in the multiphase oscillator