Особенности конструкции и применения термостатированных кварцевых генераторов
Дмитрий МАТЮШИН,
главный инженер,
ООО «НПП «Техно-ПАРК»
Статья опубликована в журнале «Электронные Компоненты» №11-2025г
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.
По-прежнему основными требованиями к параметрам этих генераторов являются повышение стабильности частоты, снижение уровня фазовых и амплитудных шумов, увеличение диапазона рабочих частот и температур, уменьшение времени выхода на рабочие режимы генерации, сокращение энергопотребления и габаритов при сохранении требуемого уровня стабильности частоты.
Нельзя не отметить важность 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 (применяется также термин «нестабильность») достигает величины 1 ppb, или 0,001 ppm. Некоторые специалисты указывают на возможность достижения высокой температурной стабильности частоты вплоть до ±1∙10–11 в диапазоне рабочих температур –40…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. В этом отношении 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 ТСКГ представляют собой высокостабильные источники частоты, ключевой особенностью которых является поддержание постоянной температуры кварцевого резонатора, что минимизирует влияние температурных колебаний на его частоту.
Возможность коррекции (подстройки) выходной частоты при ее уходе является важной функцией высокостабильного генератора, но в рамках данного обзора в эту тему мы углубляться не станем.
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 используются 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 в устройстве или приборе также может влиять на стабильность частоты генератора и режим его эксплуатации.
Обеспечение 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, стабилизацию температуры с требуемой точностью и механических напряжений в нагретом кварцевом резонаторе.
Сразу оговоримся, что большинство ТСКГ сконструировано таким образом, что время установления частоты с точностью 1∙10–7 не превышает нескольких минут.
Нагрев до требуемой температуры может произойти сравнительно быстро – за несколько минут (режим потребления максимального тока ТСКГ). Это разное время для однотипных ТСКГ в зависимости от начальной температуры.
Стабилизация заданной в термостате температуры с требуемой точностью может занять от нескольких десятков минут до часов. Время сглаживания механических напряжений в резонаторе занимает от нескольких часов до нескольких суток, и только после этого ТСКГ достигнет наибольшей стабильности частоты, заявленной в спецификации.
Если генератор отключен от питания, то для того чтобы вернуться в режим наибольшей стабильности, ему потребуется значительное время (от нескольких часов до нескольких суток), даже если он не успел потерять рабочую температуру. По этой причине выключать ТСКГ от питания крайне не рекомендуется.
Для компенсации ухода частоты используются схемы подстройки частоты, однако и они не могут полностью устранить влияние перечисленных выше факторов на стабильность частоты, а сами, в свою очередь, ее ухудшают 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 и 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 следует придерживаться.
Все эти факторы, в конечном итоге, усложняют конструкцию и увеличивают стоимость 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 габаритов ТСКГ не является праздным, но сделать такой генератор компактным очень и очень сложно. Насколько нам известно, наиболее миниатюрный на настоящий момент ТСКГ выполнен в корпусе SMD 9,7×7,5×4,1 мм, а его максимальная потребляемая мощность составляет около 1,5 Вт.
Можно утверждать, что наиболее востребованный на рынке ТСКГ – 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;
- функция подстройки частоты управляющим напряжением;
- потребляемая мощность (макс.): 1,0–3,0 Вт;
- корпуса (размеры указаны в мм):
- SMD 9,7×7,5;
- SMD 14,3×9,3;
- SMD 15,4×10,5;
- SMD 25,4×22,1;
- DIP14;
- DIP 20,6×20,6;
- DIP 25,4×25,4.
Выводы
Термостатированные кварцевые генераторы играют важную роль при работе современной техники.
Применение термостатированных кварцевых генераторов требует проработки и расчета режимов работы ТСКГ для полноценной реализации их высоких технических возможностей.
Разработку новых конструкций ТСКГ необходимо проводить не только с целью улучшения технических параметров, но и для улучшения эксплуатационных характеристик и снижения цены генераторов.
Размещение статей и рекламы в журнале «Электронные Компоненты»: anton.deninsov@ecomp.ru
