Введение
Для ряда приборов и устройств требуются высокостабильные источники тактового сигнала. Это измерительные приборы, устройства телекоммуникаций, системы позиционирования, радиолокации и ряд других. Одним из решений является задание стабильной тактовой и опорной частоты от термостатированных кварцевых генераторов (ТСКГ). В измерительной технике ТСКГ применяются в частотомерах, анализаторах спектра и других приборах, требующих точного измерения времени, частоты и фазы.
Дмитрий МАТЮШИН, главный инженер, ООО «НПП «Техно-ПАРК»
По прежнему основными параметрами являются повышение стабильности частоты, снижение уровня фазовых и амплитудных шумов, увеличение диапазона рабочих частот и температур, уменьшение времени выхода на рабочие режимы генерации, уменьшение энергопотребления, уменьшение габаритов при сохранении требуемого уровня стабильности частоты.
Нельзя не сказать о важности снижения стоимости таких изделий, которые достаточно сложны в производстве, требуют при изготовлении качественных материалов, оборудования, ощутимых трудозатрат и поэтому довольно дорогих для покупателя.
Стабильность частоты качественных ТСКГ (также применяют термин «нестабильность») достигает величины 1 ppb или 0,001 ppm. Некоторые специалисты указывают на возможность достижения высокой температурной стабильности частоты – вплоть до ±1х10^–11 в диапазоне рабочих температур от -40 до +85°С.
Различают кратковременную и долговременную стабильность ТСКГ.
Кратковременная стабильность (на протяжении от долей секунды до минут) кварцевого генератора зависит от температуры, пульсаций источника питания, вибрации и других факторов, которые изменяются за относительно непродолжительное время.
Долговременная стабильность – стабильность частоты за более продолжительный период времени – сутки, неделю, месяц, год, или даже больше нескольких лет. Здесь ведущую роль играет качество использованных в генераторе материалов, прежде всего кварцевого резонатора, качество сборки, герметичность корпуса, условия эксплуатации и другие факторы, которые могут проявиться с течением времени.
Конструктивно термостатированные кварцевые генераторы (ТСКГ) представляют собой высокостабильные источники частоты, их ключевой особенностью является поддержание постоянной температуры кварцевого резонатора, что минимизирует влияние температурных колебаний на его частоту.
Возможность корректировать (подстраивать) выходную частоту при ее уходе является важной функцией высокостабильного генератора, но в рамках этого обзора в эту тему мы углубляться не будем.
Конструктивные особенности.
Типичный ТСКГ состоит из кварцевого генератора, термостата, схемы управления температурой и схемы питания. Кварцевый резонатор, являющийся основой генератора, помещается в термостат, который представляет собой изолированную камеру с нагревателем. Схема управления температурой с помощью термодатчика и управляющего контура поддерживает заданную температуру внутри термостата с высокой точностью, обычно в пределах ±0,1°C или даже точнее. Точность задания температуры и поддержания ее стабильности очень важна для такой конструкции и непосредственно влияет на стабильность частоты генератора.
Для уменьшения влияния внешней температуры внутри корпуса используют термоизолирующие материалы с низкой теплопроводностью. Наиболее радикальным конструктивным решением является двойное термостатирование, но оно не всегда оправдано.
Для минимизации влияния внешних факторов, таких как вибрация и электромагнитные помехи, ТСКГ защищены корпусами, конструкция которых предусматривает экранирование от электромагнитных помех, акустических и вибрационных воздействий.
Размещение ТСКГ генератора в устройстве или приборе также может влиять на стабильность частоты генератора и режим его эксплуатации.
Преимущества и недостатки ТСКГ
Достижение высокой стабильности частоты потребовало создания сложной конструкции ТСКГ, что, в свою очередь, привело к тому, что разработка приборов с ТСКГ и их эксплуатация имеет свои особенности.
Выход на режим наибольшей стабильности требует определенного времени.
Это время включает в себя нагрев внутри термостата до требуемой температуры, стабилизации температуры с требуемой точностью, стабилизации механических напряжений в нагретом кварцевом резонаторе.
Сразу оговоримся, что большинство ТСКГ сконструировано таким образом, что время установления частоты с точностью 1 х 10^–7 не превышает нескольких минут.
Нагрев до требуемой температуры может произойти сравнительно быстро – за несколько минут (это режим потребления максимального тока ТСКГ), в зависимости от начальной температуры это время будет разным для однотипных ТСКГ при разной начальной температуре.
Стабилизация заданной в термостате температуры с требуемой точностью может занять от нескольких десятков минут до часов. Время сглаживания механических напряжений в резонаторе может занять от нескольких часов до нескольких суток и только после этого ТСКГ достигнет наибольшей стабильности частоты, заявленной в спецификации.
Если генератор оказался выключен от питания, то для того, чтобы вернуться в режим наибольшей стабильности, ему потребуется существенное время (от нескольких часов до нескольких суток), даже если он не успел потерять рабочую температуру. Поэтому выключать ТСКГ от питания крайне не рекомендуется.
Для компенсации ухода частоты используются схемы подстройки частоты, однако и они не могут полностью устранить влияние вышеперечисленных факторов на стабильность частоты, а сами, в свою очередь, ухудшают стабильность частоты за счет возрастания фазовых шумов.
Вибрационная чувствительность также является важным фактором, способным существенно ухудшить стабильность ТСКГ и уровень его фазовых шумов. Для решения этой проблемы используются как конструктивные решения, уменьшающие влияние вибрации, так электронные схемы компенсации фазовых шумов ТСКГ.
Пульсации питающего напряжения являются еще одним фактором, который оказывают влияние на стабильность кварцевого генератора и требует внимания при разработке цепи питания генератора. Как правило, производитель приводит в документации типовую схему включения, которой нужно придерживаться.
Все это, в конечном итоге, приводит к усложнению конструкции и увеличению стоимости ТСКГ.
Несмотря на все усилия конструкторов, ТСКГ по – прежнему остаются довольно крупными радиоэлементами, или, как их называют некоторые графоманы, электрорадиоизделиями (ЭРИ), которые требуют для работы сравнительно больших токов питания.
Вопрос уменьшения ТСКГ не является праздным, но по – прежнему, сделать такой генератор компактным очень и очень сложно. Насколько нам известно, наиболее миниатюрный на настоящий момент ТСКГ выполнен в корпусе SMD 9,7х7,5х4,1 мм, а его максимальная потребляемая мощность составляет около 1,5 Вт.
Можно сказать, что наиболее востребованный на рынке ТСКГ – это сбалансированный по параметрам генератор, имеющий высокие эксплуатационные параметры при конкурентоспособной цене.
На сайте компании ООО «НПП «Техно-ПАРК» представлены термостатированные кварцевые генераторы серии OPT, выпускаемые под брендом SAWTECHNO.
Основные электрические параметры термостатированных кварцевых генераторов SAWTECHNO:
• Диапазон частот – 5,0 … 100 МГц;
• Напряжение питания – 3,3 … 12,0 В;
• Точность начальной настройки (допуск по частоте) – ±50,0 … ±500,0 ppb;
• Термостабильность частоты – ±3,0 … ±100,0 ppb;
• Диапазон рабочих температур – -40 … +85 °С;
• Диапазон температур хранения – -55 … +125 °С;
• Форма выходного сигнала – КМОП/синус/ТТЛ;
• Изменение частоты со временем (старение) – ±1 ppb/год … ±1,0 ppm/год;
• Доступна функция подстройки частоты управляющим напряжением;
• Потребляемая мощность, максимальная – от 1,0 до 3,0 Вт.
• Корпуса (размеры указаны в мм):
- SMD 9,7 x 7,5;
- SMD 14,3 x 9,3;
- SMD 15,4 x 10,5;
- SMD 25,4 x 22,1;
- DIP 14;
- DIP 20,6 x 20,6;
- DIP 25,4 x 25,4.
Выводы
Термостатированные кварцевые генераторы играют важную роль при работе современной техники.
Применение термостатированных кварцевых генераторов требует проработки и расчета режимов работы ТСКГ с тем, чтобы полностью реализовать их высокие технические возможности.
Разработку новых конструкций ТСКГ важно проводить не только с целью улучшения технических параметров, но и для улучшения эксплуатационных характеристик и цены генераторов.