Кварцевые генераторы с повышенной температурной стабилизацией
Часть 1
Статья размещена в журнале «Электронные Компоненты» 10-2025.
В современных устройствах связи, медицине, метрологическом оборудовании используются кварцевые генераторы (КГ). КГ обеспечивают стабильный радиочастотный сигнал определенной рабочей частоты. Форма сигнала на выходе КГ может быть прямоугольной или синусоидальной.
Миниатюризация КГ позволяет расширить диапазон их применения в современной аппаратуре. Возможность групповой настройки КГ позволяет изготавливать большие партии. Высокая температурная стабильность и низкий уход рабочей частоты из-за эффекта старения позволяют использовать КГ в течение длительного времени.
Владимир ИЗОТОВ, ведущий инженер-технолог, ООО «НПП «Техно-ПАРК»
Особенности термокомпенсированных кварцевых генераторов
Как правило, КГ работают в температурном диапазоне –40…85°C, а их температурная стабильность составляет ±20…±100 ppm1. В некоторых приложениях предъявляются строгие требования к температурной стабильности частоты КГ. Как правило, в таком случае этот параметр не должен превышать ±10 ppm. Поскольку простые КГ
не отвечают этому требованию, применяются термокомпенсированные кварцевые генераторы (ТККГ, или TCXO2), температурная стабильность которых равна ±0,5…±5,0 ppm. Основу принципа работы
таких генераторов составляет механизм изменения частоты генератора с помощью подачи определенного напряжения на вход генератора, управляемого напряжением (ГУН, или VCXO3). ТККГ обеспечивают
высокие значения стабильности частоты сигнала в условиях широкого диапазона рабочих температур. Существует несколько способов
температурной компенсации частоты:
1) аналоговый;
2) цифровой;
3) цифро-аналоговый;
4) компьютерный.
Аналоговый способ термокомпенсации
Функциональная схема ТККГ с аналоговой компенсацией приведена на рис. 1. Этот способ позволяет произвести настройку генератора в режиме плавного изменения температуры в определенных реперных точках за счет особого устройства – термоформирователя (ТФ), выходное напряжение которого используется для управления частотой генератора. При этом управляющее напряжение имеет характер, противоположный температурно-частотной характеристике (ТЧХ) кварцевого резонатора (КР). Электрический сигнал с выхода ТФ поступает на вход ГУН. Изменение частоты КГ осуществляется с помощью варикапов, входящих в состав ГУН, динамическая емкость которых меняется пропорционально приложенному к ним напряжению.
При этом емкость контура генератора меняется, что влечет за собой изменение рабочей частоты генератора.
Как правило, пьезоэлемент КР, используемый в термокомпенсированных КГ, изготавливается на основе AT-среза4, ТЧХ которого может быть аппроксимирована полиномом 3‑й степени:
(1)
Рис. 1. Функциональная схема работы ТККГ
Обозначения: t – температура, окружающей среды, Uпит – напряжение питания; Uупр – управляющее напряжение; Uвых – выходной сигнал
где A, B, C – температурные коэффициенты аппроксимации; F(t) и F0 – рабочие частоты КР при температуре окружающей среды t и при выбранной опорной температуре, соответственно. Порядок величин этих коэффициентов следующий:
- A: 10–10/°C3;
- B: ±10–8…10–7/°C2;
- C: –10–7/°C.
ТЧХ резонатора AT-среза, управляющее напряжение компенсирующего сигнала на выходе из ТФ, а также результирующая ТЧХ ТККГ приведены на рис. 2.
Рис. 2. Компенсация температурного ухода частоты КР в составе ТККГ
Аналоговый способ температурной компенсации имеет следующие особенности:
- индивидуальная настройка ТФ для каждого генератора;
- сложность настройки ТФ.
Этот способ не позволяет перейти к массовому выпуску ТККГ с миниатюрными размерами в SMD-корпусах. Аналоговый способ температурной компенсации может использоваться для ТККГ больших размеров и для мелкосерийных заказов.
Компьютерный способ термокомпенсации
При крупносерийном производстве ТККГ в компактных SMD корпусах 5 чаще всего используется компьютерный способ температурной компенсации частоты. Принцип этого метода состоит в возможности синтезирования выходного управляющего сигнала, соответствующего форме, противоположной форме ТЧХ КР. Этот сигнал
поступает на вход ГУН, вследствие чего меняется выходная частота ТККГ. На рис. 3 представлена конструкция ТККГ с пьезоэлементом и выполняющей роль ТФ микросхемой, которые расположены на основании малогабаритного SMD-корпуса.
При термокомпенсации задается диапазон рабочих температур и значение температурной стабильности в соответствии с техническими требованиями заказчика. Программное обеспечение разбивает температурный диапазон на множество интервалов с шагом в 1°C.
Далее для каждого значения температуры программное обеспечение определяет необходимые для рабочей частоты КГ значения температурных коэффициентов аппроксимации. Затем информация об этих
коэффициентах записывается в память микросхемы. Особенности данного метода следующие:
- возможность групповой настройки КГ – на одной печатной плате можно разместить несколько КГ, а затем их запрограммировать на необходимую коррекцию частоты;
- высокая скорость работы программного обеспечения и записи информации в КГ.
Термокомпенсированные кварцевые генераторы SAWTECHNO
На сайте компании ООО «НПП «Техно-ПАРК» представлены ТККГ серии OPT, выпускаемые под брендом SAWTECHNO. Некоторые основные электрические параметры ТККГ представлены в таблице.
Выводы
Для каждой задачи по использованию ТККГ можно подобрать оптимальный способ термокомпенсации. Это позволит в кратчайшие сроки выполнить заказ в соответствии с техническими требованиями заказчика. Инженеры компании ООО «НПП «Техно-ПАРК» готовы подобрать под технические требования клиента решение в виде ТККГ.
Однако существуют задачи, для которых требуются КГ с температурной стабильностью порядка ±0,01 ppm. В таких случаях оптимальным решением является термостатированный кварцевый генератор (OCXO)9. Принцип его работы и основные технические характеристики будут описаны во второй части этой статьи.
1 Parts per million, 10–6.
2 TCXO – Temperature Compensated Crystal Oscillator.
3 VCXO – Voltage Control Crystal Oscillator.
4 Кристаллографический срез, используемый для получения кварцевых подложек. Ориентирован по отношению к оси Z кристалла кварца под углом 35° 15´.
5 Корпуса SMD 7,0½5,0 мм и меньше.
6 Представлены диапазоны значений. Для уточнения параметров следует обратиться в отдел продаж.
7 Для значений менее 0,5 ppm требуется уточнение.
8 Может быть расширен по требованию заказчика.
9 OCXO – Oven Controlled Crystal Oscillator.
