RU2531871C1 - Quartz oscillator - Google Patents

Quartz oscillator Download PDF

Info

Publication number
RU2531871C1
RU2531871C1 RU2013139794/08A RU2013139794A RU2531871C1 RU 2531871 C1 RU2531871 C1 RU 2531871C1 RU 2013139794/08 A RU2013139794/08 A RU 2013139794/08A RU 2013139794 A RU2013139794 A RU 2013139794A RU 2531871 C1 RU2531871 C1 RU 2531871C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
inverting amplifier
output
input
quartz resonator
quartz
Prior art date
Application number
RU2013139794/08A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вячеслав Владимирович Хозинский
Виталий Никонович Лукьянчук
Александр Иванович Верещагин
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 RU2013139794/08A priority Critical patent/RU2531871C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2531871C1 publication Critical patent/RU2531871C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to the field of electronic technology and can be used for generation of electric signals stabilised with electromechanical resonators, namely in piezoelectric resonator transmitters. The quartz oscillator contains the quartz resonator and the unit of compensation of its direct capacitance including series connected first inverting amplifier and condenser, the second inverting amplifier, cascade non-inverting amplifier designed on two CMOS-transistors, phase corrector, the output of which is connected through the quartz resonator to the input of the cascade non-inverting amplifier, the output of which is connected to the input of the second inverting amplifier, the output of which is connected to the input of the phase corrector.
EFFECT: improvement of stability of the oscillator operation in various operating conditions.
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.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является кварцевый генератор (см. патент РФ №2450415 от 11.03.2011 г., опубликованный в Б.И. №13 от 10.05.2012 г.), содержащий кварцевый резонатор и блок компенсации его статической емкости, включающий последовательно соединенные первый инвертирующий усилитель и конденсатор, при этом второй вывод конденсатора и вход первого инвертирующего усилителя соединены с выводами кварцевого резонатора соответственно.The closest in technical essence to the claimed device is a crystal oscillator (see RF patent No. 2450415 dated 03/11/2011, published in B.I. No. 13 dated 05/10/2012), containing a crystal and a compensation unit for its static capacitance including a first inverting amplifier and a capacitor connected in series, wherein the second capacitor terminal and the input of the first inverting amplifier are connected to the terminals of the quartz resonator, respectively.

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 относительно малое значение активного импеданса нагрузки кварцевого резонатора и соответственно малое значение напряжения на выходе кварцевого резонатора, что требует использования усилителя с большим коэффициентом передачи.The disadvantage of the prototype is the relatively low value of the active load impedance of the quartz resonator and, accordingly, the low voltage value at the output of the quartz resonator, which requires the use of an amplifier with a high transmission coefficient.

Решаемой технической задачей является создание генератора с кварцевым резонатором с повышенным напряжением на нагрузке кварцевого резонатора без потери его добротности и снижения требований к коэффициенту передачи усилителя в контуре обратной связи.The technical problem to be solved is the creation of a generator with a quartz resonator with an increased voltage at the load of the quartz resonator without losing its quality factor and reducing the requirements for the gain of the amplifier in the feedback loop.

Достигаемым техническим результатом является повышение устойчивости работы генератора в различных условиях эксплуатации.Achievable technical result is to increase the stability of the generator in various operating conditions.

Для достижения технического результата в кварцевом генераторе, содержащем кварцевый резонатор и блок компенсации его статической емкости, включающий последовательно соединенные первый инвертирующий усилитель и конденсатор, при этом второй вывод конденсатора и вход первого инвертирующего усилителя соединены с выводами кварцевого резонатора соответственно, новым является то, что дополнительно введены второй инвертирующий усилитель, выход которого является выходом устройства, каскодный неинвертирующий усилитель, выполненный на двух КМОП-транзисторах, и фазовый корректор, выход которого через кварцевый резонатор соединен со входом каскодного неинвертирующего усилителя, выход которого соединен со входом второго инвертирующего усилителя, выход которого соединен со входом фазового корректора.To achieve a technical result in a quartz oscillator containing a quartz resonator and a compensation unit for its static capacitance, including a first inverting amplifier and a capacitor connected in series, the second capacitor terminal and the input of the first inverting amplifier are connected to the quartz resonator terminals, respectively, new is that introduced a second inverting amplifier, the output of which is the output of the device, a cascode non-inverting amplifier, made on two CMOS transistors, and a phase corrector, the output of which through the quartz resonator is connected to the noninverting input cascode amplifier whose output is connected to the input of the second inverting amplifier, whose output is connected to the input of a phase corrector.

На фигуре 1 изображена функциональная схема заявляемого генератора. На фигуре 2 представлена схема одного из возможных вариантов реализации заявляемого генератора. На фигуре 3 представлена эквивалентная схема кварцевого резонатора.The figure 1 shows a functional diagram of the inventive generator. The figure 2 presents a diagram of one of the possible embodiments of the inventive generator. The figure 3 presents the equivalent circuit of a quartz resonator.

Кварцевый генератор содержит кварцевый резонатор 1 и блок компенсации его статической емкости 2, включающий последовательно соединенные первый инвертирующий усилитель 3 и конденсатор 4, при этом второй вывод конденсатора 4 и вход первого инвертирующего усилителя 3 соединены с выводами кварцевого резонатора 1 соответственно, введены второй инвертирующий усилитель 5, выход которого является выходом устройства, каскодный неинвертирующий усилитель 6, выполненный на двух КМОП-транзисторах, и фазовый корректор 7, выход которого через кварцевый резонатор 1 соединен со входом каскодного неинвертирующего усилителя 6, выход которого соединен со входом второго инвертирующего усилителя 5, выход которого соединен со входом фазового корректора 7. В неинвертирующем каскодном усилителе 6 транзистор 11 включен по схеме с общим истоком, а транзистор 12 с общим затвором, истоки транзисторов объединены. В таком включении транзисторов устраняется проходная емкость с выхода на вход усилителя (емкость «Миллера»), входной импеданс определяется входной емкостью транзистора 11 и значением резистора 14. Транзистор 11 и резистор 13 образуют истоковый повторитель, резисторы 13, 14, 15 задают режим работы транзистору 11. Выходной каскад каскодного неинвертирующего усилителя 6 выполнен по схеме с «общим затвором» на транзисторе 12, резисторе 16 (нагрузка каскада). Резисторы 13, 16, 17 задают транзистору 12 режим по постоянному току. Конденсаторы 18, 19 устраняют переменные составляющие напряжений на стоке транзистора 11 и затворе транзистора 12 соответственно.The quartz generator contains a quartz resonator 1 and a compensation unit for its static capacitance 2, including a first inverting amplifier 3 and a capacitor 4 connected in series, while the second output of the capacitor 4 and the input of the first inverting amplifier 3 are connected to the terminals of the quartz resonator 1, respectively, the second inverting amplifier 5 is introduced , the output of which is the output of the device, cascode non-inverting amplifier 6, made on two CMOS transistors, and phase corrector 7, the output of which is through quartz the resonator 1 is connected to the input of the cascode non-inverting amplifier 6, the output of which is connected to the input of the second inverting amplifier 5, the output of which is connected to the input of the phase corrector 7. In the non-inverting cascode amplifier 6, the transistor 11 is connected according to the circuit with a common source, and the transistor 12 with a common gate, the sources of transistors are combined. In this switching on of transistors, the passage capacitance from the output to the amplifier input (Miller capacitance) is eliminated, the input impedance is determined by the input capacitance of transistor 11 and the value of resistor 14. Transistor 11 and resistor 13 form a source follower, resistors 13, 14, 15 determine the operation mode of the transistor 11. The output stage of the cascode non-inverting amplifier 6 is made according to the scheme with a "common gate" on the transistor 12, the resistor 16 (cascade load). Resistors 13, 16, 17 give the transistor 12 a constant current mode. Capacitors 18, 19 eliminate the alternating voltage components at the drain of the transistor 11 and the gate of the transistor 12, respectively.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения на шины питания от источника постоянного напряжения (на фигуре 1 не показан) усилители 3, 5, 6 устанавливаются в активный режим, обеспечивая передачу входного переменного напряжения, например напряжения шумов с увеличением амплитуды на своих выходах в соответствии с их коэффициентами передачи K5, K6. Выходной сигнал инвертирующего усилителя 5 передается через фазовый корректор 7 с коэффициентом передачи |K7|<1. С выхода фазового корректора 7 переменное напряжение подается на вход кварцевого резонатора 1 и вход блока компенсации его статической емкости 2. При значении суммарного коэффициента передачи KΣ контура обратной связи больше единицы создаются условия для автогенерации на частоте, при которой выполняется условие «баланса фазы». В переходном режиме амплитуда переменного напряжения нарастает от практически «нулевого» значения до значений, при которых возникают нелинейные искажения, препятствующие росту амплитуды первой гармоники. При этом суммарный коэффициент передачи становится равным единице K=1.The device operates as follows. When voltage is supplied to the busbars from a constant voltage source (not shown in FIG. 1), the amplifiers 3, 5, 6 are set to active mode, providing the input AC voltage, for example, the noise voltage with increasing amplitude at its outputs in accordance with their transmission coefficients K 5 , K 6 . The output signal of the inverting amplifier 5 is transmitted through a phase corrector 7 with a transmission coefficient | K 7 | <1. From the output of the phase corrector 7, an alternating voltage is applied to the input of the quartz resonator 1 and the input of the compensation unit of its static capacitance 2. When the value of the total transfer coefficient K Σ of the feedback loop is greater than unity, conditions are created for self-generation at a frequency at which the condition of “phase balance” is fulfilled. In the transient mode, the amplitude of the alternating voltage rises from a practically “zero” value to values at which nonlinear distortions occur that impede the growth of the amplitude of the first harmonic. In this case, the total transmission coefficient becomes equal to unity K = 1.

Импеданс кварцевого резонатора 1 Zk эквивалентен импедансу последовательного L, C, R резонансного контура, шунтированного параллельной статической емкостью C0. На частоте электрического сигнала, близкой к частоте последовательного резонанса, импеданс Zk минимален и определяется в основном величиной активного эквивалентного сопротивления Rk. При этом ток на выходе кварцевого резонатора 1 будет максимален и определяется суммой токов:The impedance of a quartz resonator 1 Z k is equivalent to the impedance of a series L, C, R resonant circuit shunted by a parallel static capacitance C 0 . At the frequency of the electric signal close to the frequency of the series resonance, the impedance Z k is minimal and is determined mainly by the value of the active equivalent resistance R k . In this case, the current at the output of the quartz resonator 1 will be maximum and is determined by the sum of the currents:

- тока последовательного резонанса iZQ;- series resonance current i ZQ ;

- тока статической емкости C0 iC0.- current of static capacitance C 0 i C0 .

Значение этих токов пропорционально значению напряжения на первом выводе кварцевого резонатора 1, равного выходному напряжению фазового корректора 7. Входное напряжение неинвертирующего усилителя 6 определяется его входным импедансом и суммой выходных токов кварцевого резонатора 1 и блока компенсации статической емкости 2:The value of these currents is proportional to the voltage at the first output of the quartz resonator 1, which is equal to the output voltage of the phase corrector 7. The input voltage of the non-inverting amplifier 6 is determined by its input impedance and the sum of the output currents of the quartz resonator 1 and the static capacitance compensation unit 2:

U в х 6 = Z в х 6 ( i Z Q + i C 0 + i к о м ) ,                 ( 1 )

Figure 00000001
U at x 6 = Z at x 6 ( i Z Q + i C 0 + i to about m ) , ( one )
Figure 00000001

где iZQ - ток последовательного резонанса;where i ZQ is the series resonance current;

iC0 - ток статической емкости кварцевого резонатора 1;i C0 — current of static capacitance of quartz resonator 1;

iком - выходной ток блока компенсации статической емкости 2;i com is the output current of the static capacitance compensation unit 2;

Zвх6 - входной импеданс неинвертирующего усилителя 6.Z vh6 - input impedance of a non-inverting amplifier 6.

Выходной ток iком блока компенсации статической емкости 2 определяется коэффициентом передачи инвертирующего усилителя 3 (задается значениями резисторов 8, 9) и значением емкости компенсирующего конденсатора 4. Этими параметрами значение компенсирующего тока iком задается близким к значению тока статической емкости iC0. Фаза компенсирующего тока iком противоположна фазе тока iC0 за счет инвертирующего усилителя 3 и емкостного характера импеданса компенсирующего конденсатора 4. Таким образом, во входной цепи усилителя 6 ток iC0 будет компенсирован током iком и выходное напряжение будет определяться током последовательного резонанса кварцевого резонатора 1. Фаза входного и выходного напряжений неинвертирующего усилителя 6 определяется емкостным характером его входного импеданса и фазой тока iZQ, которая определяется резистивно-индуктивным характером импеданса кварцевого резонатора 1. Сдвиг фазы между напряжением на первом выводе кварцевого резонатора 1 и напряжением на входе и выходе неинвертирующего усилителя 6 близок к π/2(-90°). Инвертирующий усилитель 5 создает переворот фазы сигнала на - π(-180°). Суммарный сдвиг фазы сигнала на его выходе относительно фазы на входе кварцевого резонатора 1 будет равен - 3 2 π ( 270 ° )

Figure 00000002
. Для обеспечения условия баланса фаз на выходе инвертирующего усилителя 5 включен фазовый корректор 7, фазовый сдвиг которого близок к - π/2(-90°). Таким образом, суммарный фазовый сдвиг между напряжением на первом выводе кварцевого резонатора 1 и напряжением на выходе фазового корректора 7 будет равен 2π(360°). Фазовый корректор 7 может быть выполнен, по крайней мере, на одной интегрирующей RC-цепи.The output current i com of the static capacitance compensation unit 2 is determined by the transfer coefficient of the inverting amplifier 3 (set by the values of resistors 8, 9) and the value of the capacitance of the compensating capacitor 4. With these parameters, the value of the compensating current i com is set close to the value of the current of the static capacitance i C0 . The phase of the compensating current i com is opposite to the phase of the current i C0 due to the inverting amplifier 3 and the capacitive nature of the impedance of the compensating capacitor 4. Thus, in the input circuit of the amplifier 6, the current i C0 will be compensated by the current i com and the output voltage will be determined by the series resonance current of the quartz resonator 1 . The phase of the input and output voltages noninverting amplifier 6 is determined by the nature of its capacitive input impedance and the phase current i ZQ, which is determined by the resistive-inductive character them edansa quartz resonator 1. The phase shift between the voltage at the first terminal of the quartz resonator 1 and the voltage at the noninverting input and the output of the amplifier 6 is close to π / 2 (-90 °). The inverting amplifier 5 creates a phase reversal of the signal by - π (-180 °). The total phase shift of the signal at its output relative to the phase at the input of quartz resonator 1 will be equal to - 3 2 π ( - 270 ° )
Figure 00000002
. To ensure the condition of the phase balance at the output of the inverting amplifier 5, a phase corrector 7 is included, the phase shift of which is close to - π / 2 (-90 °). Thus, the total phase shift between the voltage at the first output of the quartz resonator 1 and the voltage at the output of the phase corrector 7 will be 2π (360 °). Phase corrector 7 can be performed on at least one integrating RC circuit.

Согласно предлагаемому изобретению изготовлены макетные образцы генераторов, испытания которых подтвердили их работоспособность и эффективность.According to the invention, prototype generators were manufactured, tests of which confirmed their operability and effectiveness.

Claims (1)

Кварцевый генератор, содержащий кварцевый резонатор и блок компенсации его статической емкости, включающий последовательно соединенные первый инвертирующий усилитель и конденсатор, при этом второй вывод конденсатора и вход первого инвертирующего усилителя соединены с выводами кварцевого резонатора соответственно, отличающийся тем, что дополнительно введены второй инвертирующий усилитель, выход которого является выходом устройства, каскодный неинвертирующий усилитель, выполненный на двух КМОП-транзисторах, фазовый корректор, выход которого через кварцевый резонатор соединен со входом каскодного неинвертирующего усилителя, выход которого соединен со входом второго инвертирующего усилителя, выход которого соединен со входом фазового корректора. A quartz oscillator comprising a quartz resonator and a compensation unit for its static capacitance, including a first inverting amplifier and a capacitor connected in series, the second capacitor terminal and the input of the first inverting amplifier connected to the terminals of the quartz resonator, respectively, characterized in that a second inverting amplifier, an output, is additionally introduced which is the output of the device, cascode non-inverting amplifier made on two CMOS transistors, phase corrector, output through which a quartz resonator is connected to the input of the cascode non-inverting amplifier, the output of which is connected to the input of the second inverting amplifier, the output of which is connected to the input of the phase corrector.
RU2013139794/08A 2013-08-27 2013-08-27 Quartz oscillator RU2531871C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013139794/08A RU2531871C1 (en) 2013-08-27 2013-08-27 Quartz oscillator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013139794/08A RU2531871C1 (en) 2013-08-27 2013-08-27 Quartz oscillator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2531871C1 true RU2531871C1 (en) 2014-10-27

Family

ID=53382134

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013139794/08A RU2531871C1 (en) 2013-08-27 2013-08-27 Quartz oscillator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2531871C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2619714C1 (en) * 2016-07-18 2017-05-17 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Generator
RU2707394C2 (en) * 2018-05-14 2019-11-26 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Generator
RU208486U1 (en) * 2021-03-29 2021-12-21 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" Generator

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4211985A (en) * 1975-09-03 1980-07-08 Hitachi, Ltd. Crystal oscillator using a class B complementary MIS amplifier
SU1679599A1 (en) * 1987-10-06 1991-09-23 Ленинградское Производственное Объединение "Электронприбор" Crystal oscillator
RU2450415C1 (en) * 2011-03-11 2012-05-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" Quartz crystal oscillator
RU2450416C1 (en) * 2011-03-11 2012-05-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" Quartz crystal oscillator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4211985A (en) * 1975-09-03 1980-07-08 Hitachi, Ltd. Crystal oscillator using a class B complementary MIS amplifier
SU1679599A1 (en) * 1987-10-06 1991-09-23 Ленинградское Производственное Объединение "Электронприбор" Crystal oscillator
RU2450415C1 (en) * 2011-03-11 2012-05-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" Quartz crystal oscillator
RU2450416C1 (en) * 2011-03-11 2012-05-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" Quartz crystal oscillator

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2619714C1 (en) * 2016-07-18 2017-05-17 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Generator
RU2707394C2 (en) * 2018-05-14 2019-11-26 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Generator
RU208486U1 (en) * 2021-03-29 2021-12-21 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" Generator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lahiri et al. Voltage-mode quadrature sinusoidal oscillator with current tunable properties
KR0185406B1 (en) Electrically controllable oscillator circuit and electrically controllable filter arrangement comprising said circuit
Kumngern et al. Electronically tunable multiphase sinusoidal oscillator using translinear current conveyors
Tangsrirat et al. Resistorless realization of current-mode first-order allpass filter using current differencing transconductance amplifiers
Sotner et al. Precise electronically adjustable oscillator suitable for quadrature signal generation employing active elements with current and voltage gain control
Bhaskar et al. New CFOA-based sinusoidal oscillators retaining independent control of oscillation frequency even under the influence of parasitic impedances
Khateb et al. Electronically tunable voltage-mode quadrature oscillator based on high performance CCCDBA
Summart et al. OTA based current-mode sinusoidal quadrature oscillator with non-interactive control
RU2531871C1 (en) Quartz oscillator
Kumar et al. Single active element-based tunable square/triangular wave generator with grounded passive components
Pandey et al. Voltage differencing transconductance amplifier based resistorless and electronically tunable wave active filter
Sotner et al. On the performance of electronically tunable fractional-order oscillator using grounded resonator concept
Gupta et al. Novel current mode universal filter and dual-mode quadrature oscillator using VDCC and all grounded passive elements
Lahiri Low-frequency quadrature sinusoidal oscillators using current differencing buffered amplifiers
RU2486639C1 (en) Method for generation and frequency-modulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method
RU2496192C2 (en) Method for generation and frequency-modulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method
RU2450416C1 (en) Quartz crystal oscillator
RU2450415C1 (en) Quartz crystal oscillator
RU2625520C1 (en) Chaotic oscillator
US8274320B2 (en) Signal processing circuit with improved linearity
KR101004672B1 (en) Frequency double for wireless communication and driving method thereof
Pandey et al. Multiphase sinusoidal oscillators using operational trans-resistance amplifier
RU2707394C2 (en) Generator
RU2340078C1 (en) Generator
RU2453983C1 (en) Generator