eng
Выпуск #1/2006
Я.Вороховский, В.Ильичев.
Высокостабильные малошумящие кварцевые генераторы российского производства
Высокостабильные малошумящие кварцевые генераторы российского производства
Просмотры: 4266
Прецизионные и ультрапрецизионные кварцевые генераторы, разрабатываемые и выпускаемые в России, по своим параметрам, объёму производства и стоимости не только практически полностью удовлетворяют потребностям внутреннего рынка, но и вполне конкурентоспособны на мировом рынке. Лидирующие позиции среди отечественных производителей этих приборов занимает ОАО "МОРИОН" [1–4] (www.morion.com.ru), уверенно входящее в первую пятёрку, если не тройку, мировых производителей опорных кварцевых генераторов высокой стабильности. Предлагаем вниманию читателей обзор кварцевых генераторов этого предприятия, в который включены результаты, достигнутые в 2004 – начале 2005 годов.
Высокостабильные кварцевые генераторы (КГ) разделяются на термостатированные и термокомпенсированные (табл.1). Рассмотрим каждое из этих семейств.
Прецизионные термостатированные генераторы
Термостатированные КГ (ТСКГ), выпускаемые ОАО "МОРИОН", обладают высоким уровнем всех параметров, характеризующих стабильность частоты, в сочетании с малыми габаритами и энергопотреблением, высокой надёжностью при эксплуатации в жёстких условиях при умеренной стоимости. Так, достигнуты температурная стабильность частоты ±1·1010 в интервале температур -40…70°С, долговременная стабильность частоты – 1·10-8 за год и 5·10-8 за 10 лет, кратковременная нестабильность частоты (КНЧ) – 1·10-12 за 1 с, уровень фазовых шумов (ФШ) составляет -115 и -160 дБ/Гц при отстройках от несущей на 1 Гц и 10 кГц, соответственно.
ТСКГ изготавливаются как на основе резонаторов с внутренним термостатированием (резонаторы-термостаты – РТ) (рис.1) [1], так и с использованием кварцевых резонаторов (КР) в вакуумных металлических корпусах с внешним термостатированием.
Генераторы на основе РТ (табл.2) были первыми прецизионными КГ, освоенными в производстве на заводе "МОРИОН". Благодаря высоким теплоизолирующим свойствам вакуума и хорошей тепловой связи нагревателя с пьезоэлементом применение РТ и сейчас позволяет проектировать и выпускать наиболее экономичные по энергопотреблению ТСКГ с самым быстрым выходом на рабочий режим после включения. Генераторам на основе РТ присущи такие характеристики, как высокая стабильность частоты, низкий уровень ФШ (рис.2) и КНЧ (рис.3), а также высокая надёжность в условиях жёстких внешних воздействующих факторов (ВВФ).
В последние несколько лет за счет применения кварца SC-среза параметры КГ на РТ существенно улучшены. Сегодня на основе РТ выпускаются прецизионные генераторы с позисторным нагревателем (ГК54-ТС и ГК75-ТС) и с комбинированным транзисторно-плёночным нагревателем. Применение последнего наряду с серьезными мерами по улучшению конструкции термостатируемого узла [5] позволило добиться установления частоты генератора с точностью 1·10-7 за 30–60 с после включения (ГК68-ТС и ГК80-ТС).
Ещё одна особенность генераторов на РТ с комбинированным нагревателем – очень малое энергопотребление не только в установившемся, но и в переходном режиме после включения. Новыми устройствами этого типа являются низкопрофильные генераторы ГК93-ТС и ГК143-ТС, стойкие к жестким ВВФ. Благодаря использованию новейших РТ с диаметром баллона 13 мм высота корпуса генераторов – всего 17 мм.
Генераторы с внешним термостатированием резонатора уступают генераторам на основе РТ по энергопотреблению и скорости выхода на рабочий режим после включения. Однако у этих генераторов существенно лучшая температурная стабильность частоты и меньшие габариты. К тому же они более технологичны в производстве. Улучшение температурной стабильности частоты в значительной мере обусловлено уменьшением температурных градиентов в термостатируемом узле и самом пьезоэлементе, чего легче достигнуть у резонаторов с металлическими корпусами, выполняющими функцию первичного теплового шунта. У генераторов на основе РТ снижение температурных градиентов затруднено их конструкцией, а также противоречит стойкости к жестким механическим воздействиям.
Малогабаритные и миниатюрные прецизионные КГ используют КР в корпусах НС-43 с кварцем преимущественно SC-среза, реже – АТ-среза. Генераторы этого типа немного уступают КГ на основе РТ по стабильности частоты и спектральным характеристикам и значительно проигрывают по экономичности энергопотребления. Но при этом они гораздо дешевле и миниатюрнее генераторов на основе РТ (табл.3). Так, габариты самого миниатюрного из высокостабильных ТСКГ – ГК118-ТС – составляют 20ґ20ґ10 мм. Генератор ГК103-ТС на диапазон частот 10–40 МГц выполнен в стандартном "европейском" корпусе СО-08 с габаритами 36ґ27ґ16 мм.
Важное достижение АО "МОРИОН" – разработка термостатированных генераторов в корпусах для поверхностного монтажа (SMD). Первый генератор этого семейства – ГК115-ТС-SMD. Существенно, что освоены варианты его исполнения с напряжениями питания 3,3 и 5 В. Запущен в производство и SMD-генератор ГК140-ТС со значительно более высокой стабильностью частоты : ±5·10-9 (-20…70°С). Из-за худших условий теплоизоляции от внешней среды энергопотребление SMD ТСКГ несколько выше, чем у других генераторов этой группы.
Ультрапрецизионные КГ (класса 10-9) с одноступенчатым термостатированием, выпускаемые ОАО "МОРИОН", представлены в табл.4. Характерный представитель этого семейства – генератор ГК62-ТС, построенный на КР SC-среза в корпусе НС-37. Его конструкция оптимизирована по тепловым потокам. Повышенную точность поддержания температуры обеспечивает система термостатирования, дополненная узлом коррекции. Этот узел реагирует на изменение температуры окружающей среды, регистрируемой отдельным датчиком. В результате температурная нестабильность частоты составляет ±10-9 в интервале температур -40…70°C. По остальным показателям стабильности ГК62-ТС сопоставим с генераторами на основе РТ при достаточно малых габаритах (51х41х19 мм). Еще меньшей высотой (12,7 мм) отличается ГК90-ТС с аналогичными ГК62-ТС показателями стабильности. Это достигнуто за счёт применения резонатора в плоском корпусе НС-43. Типовой спектр ФШ ГК90-ТС показан на рис.4.
В 2004–2005 годы в производство передано высокоэффективное семейство унифицированных генераторов этого класса – ГК102-ТС и ГК172-ТС, варианты исполнения которых удовлетворяют самому широкому кругу запросов разработчиков аппаратуры. А в мае 2005 года закончена разработка миниатюрного (36,1ґ27,2ґ15 мм) ультрапрецизионного генератора ГК178-ТС. Он лишь немного уступает по температурной и долговременной стабильности генераторам данного класса с большим в два-три раза объемом. Напряжение питания нового генератора – 3,3 или 5 В.
Ультрапрецизионные КГ (класса 10-10) с двухступенчатым термостатированием (см. табл.4). Первым отечественным ультрапрецизионным КГ класса 10-10 по стабильности с двухступенчатым термостатированием стал генератор ГК89-ТС. Он выполнен на резонаторе SC-среза в корпусе НС-40 (рис.5). По температурной стабильности частоты ГК89-ТС на порядок и более превосходит КГ с одноступенчатым термостатированием и не уступает рубидиевым стандартам частоты. При этом он не только гораздо дешевле последних, но и намного превосходит их по КНЧ, спектральным характеристикам ФШ и массогабаритным показателям (рис.6–8).
Выпущенный в 2004 году генератор ГК142-ТС по показателям стабильности частоты идентичен ГК89-ТС, но его высота уменьшена с 38 до 25 мм, а энергопотребление почти в полтора раза ниже. В 2005 году был создан ещё более плоский ГК180-ТС высотой 19 мм (!) при тех же показателях стабильности частоты. В начале 2005 года передан в производство миниатюрный ультрапрецизионный генератор ГК145-ТС размером 36ґ27ґ19 мм с лишь несколько худшими показателями температурной и долговременной стабильности частоты (около ±3·10-10 и ±3·10-8/год, соответственно).
Развитие беспроводных сетей мобильной связи потребовало освоения технологий крупносерийного производства ультрапрецизионных генераторов класса 10-9 и 10-10, что успешно сделали специалисты ОАО "МОРИОН". В результате рассмотренные КГ имеют все шансы в ближайшие годы стать основными для решения многих задач частотно-временного обеспечения.
Высокочастотные прецизионные КГ с низкими уровнями ФШ и КНЧ представляют сегодня особый интерес в связи с общей тенденцией освоения всё более высоких частот в радиоэлектронике. Однако повышение частоты генераторов путём умножения приводит к росту фазовых шумов приблизительно на 6 дБ при каждом удвоении, что нередко затрудняет применение опорных генераторов диапазона 5–20 МГц. Эффективный путь получения высокой и стабильной частоты – разработка малошумящих высокочастотных генераторов на основе КР SC-среза с колебаниями пятого порядка (табл.5). Именно таким является генератор общепромышленного исполнения ГК87-ТС (рис.8, 9) на диапазон частот 50–700 МГц. В диапазоне 100–120 МГц частота автогенератора передаётся непосредственно на выход, для получения более высоких выходных частот используется встроенный умножитель на целое число в пределах от 2 до 7.
На основе ГК87-ТС в 2003–2004 годы разработан миниатюрный генератор ГК136-ТС для диапазона 50–120 МГц со значительно меньшими габаритами (36ґ27ґ16 мм), повышенной стойкостью к механическим воздействиям и расширенным интервалом рабочих температур. Спектр его ФШ идентичен ГК87-ТС без умножителя частоты. Завершена разработка и освоена модификация ГК136-ТС с напряжением питания 5 В. Для специальной аппаратуры предназначены генераторы ГК148-ТС и ГК174-ТС, характерная особенность которых – очень низкий уровень ФШ при эксплуатации в условиях жестких механических воздействий.
С ростом частоты КР уменьшается толщина пьезоэлемента и увеличивается долговременная нестабильность частоты. А чем больше номер используемой гармоники резонатора, тем сложнее подавить возбуждение нежелательных мод и гармоник. Кроме того, на гармониках свыше пятой или седьмой снижается добротность резонаторов. Поэтому на практике верхняя граница частоты прецизионных малошумящих генераторов без умножителей частоты не намного превышает 100 МГц.
Получить очень низкий ФШ в средней и дальней зонах (отстройка от несущей 1–10 кГц и более) со значительно сниженным ФШ в ближней зоне (при отстройках 1–100 Гц), а также высокую долговременную и температурную стабильность частоты позволяет устройство, содержащее два различающихся по частоте на порядок или более генератора, охваченных системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). В петлю ФАПЧ входит либо делитель частоты высокочастотного управляемого генератора, либо умножитель частоты низкочастотного опорного генератора. Здесь принципиально важно, что оба генератора реализованы и термостатированы в единой конструкции. Это позволяет существенно улучшить как стабильность частоты, так и спектральные характеристики. Спектр ФШ такого генератора – ГК137-ТС – в дальней зоне определяется высокочастотным генератором, а в ближней и средней – опорным низкочастотным генератором с добавлением шумов, вносимых цепью ФАПЧ (рис.10).
Термокомпенсированные кварцевые генераторы
Высокостабильные малошумящие термокомпенсированные кварцевые генераторы (ТККГ) заметно уступают термостатированным по стабильности частоты и уровню ФШ, однако существенно превосходят их по экономичности энергопотребления, массогабаритным характеристикам и скорости выхода на рабочий режим после включения (табл.6). Поэтому ТККГ устойчиво сохраняют значительную долю рынка пьезоэлектронной продукции.
В отличие от термостатированных генераторов, в ТККГ кварцевый резонатор работает при температуре, практически совпадающей с температурой окружающей среды. Стабильность повышается за счёт управляющего воздействия, вызывающего изменения частоты, противоположные собственным температурным изменениям частоты резонатора и в идеале равные им по величине. К резонаторам, предназначенным для ТККГ, предъявляются повышенные требования в отношении температурно-частотных характеристик, тщательно контролируемых в производстве.
Производство ТККГ было освоено заводом "МОРИОН" в конце 70-х годов. Сейчас предприятие располагает всем необходимым для изготовления десятков тысяч ТККГ общепромышленного и специального назначения в год. Широким спросом пользуется генератор ГК88-ТК, выпускаемый в двух вариантах: с выходным синусоидальным сигналом с напряжением 300±75 мВ на нагрузке 50 Ом или с сигналом ТТЛ/КМОП-уровня. Его фазовые шумы (рис.11) приемлемы для большинства современных потребителей.
Генератор ГК96-ТК был разработан для специальной аппаратуры. Его особенности – очень быстрый вход в режим после включения и стойкость к жёстким условиям эксплуатации. Выходной сигнал – импульсный ТТЛ/КМОП-уровня. Унифицированный генератор ГК99-ТК, также для специальной аппаратуры, выполнен в корпусе DIL-14 объёмом 2,5 см3. Возможные значения напряжения питания – 2,7; 3 и 5 В (с погрешностью ±5%). Выходной сигнал – синусоидальный с напряжением 400±150 мВ на нагрузке 10 кОм при допустимой нагрузочной ёмкости 5 пФ. При необходимости генератор может быть согласован на ёмкость более 5 пФ.
Генераторы ГК120-ТК и ГК121-ТК с малыми габаритами и массой выпускаются в общепромышленном исполнении. Их особенности – низкий уровень ФШ (ГК120-ТК, см. рис.11) и повышенное выходное напряжение – 500 мВ на нагрузке 2 кОм (ГК121-ТК). Генераторы ГК144-ТК, ГК146-ТК и ГК147-ТК предназначены для специальной аппаратуры. ГК146-ТК имеет синусоидальный выходной сигнал напряжением 300±75 мВ на нагрузке 50 Ом, ГК147-ТК – сигнал ТТЛ/КМОП-уровня. Отметим, что это весьма малошумящие генераторы.
Объем производства генераторов с эксплуатационной стабильностью частоты от ~10-9 до ~10-10 в ОАО "МОРИОН" составляет несколько десятков тысяч в год. Выпускаются высокочастотные прецизионные КГ, термокомпенсированные КГ высокого уровня, а также управляемые напряжением и тактовые КГ, кварцевые фильтры и резонаторы. Объём продаж предприятия за 10 лет вырос в 20 раз, причем более половины из них приходится на высокостабильные опорные генераторы. Немаловажно, что предприятие охотно и быстро модифицирует генераторы под конкретные требования заказчиков. Поэтому можно утверждать, что по крайней мере в плане высокостабильных генераторов отечественная промышленность избавлена от зависимости от зарубежных поставок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вороховский Я. Базовые и перспективные модели прецизионных кварцевых генераторов для телекоммуникационных и навигационных систем. – Электронные компоненты, 2003, № 5, с.57–61.
2. Добровольский А. Высокочастотные прецизионные малошумящие кварцевые генераторы. – Электронные компоненты, 2003, № 8, с.79–81.
3. Яковлев С., Ильичев В. Высокостабильные малошумящие термокомпенсированные кварцевые генераторы – базовые модели и их развитие. – Электронные компоненты, 2004, № 2, с.69–72.
4. Вороховский Я. "Чертова дюжина" основных шагов по коренной реорганизации предприятия. – Живая электроника России, 2004, с.17–19.
5. Пат. 2155442 РФ. Кварцевый резонатор с внутренним термостатированием / И.Г. Петросян. Кл. Н03Н 9/19, Н03Н 9/15. Приоритет 4 июня 1999 г. Опубл. 27 августа 2000 г. Патентообладатель ОАО "МОРИОН".
Прецизионные термостатированные генераторы
Термостатированные КГ (ТСКГ), выпускаемые ОАО "МОРИОН", обладают высоким уровнем всех параметров, характеризующих стабильность частоты, в сочетании с малыми габаритами и энергопотреблением, высокой надёжностью при эксплуатации в жёстких условиях при умеренной стоимости. Так, достигнуты температурная стабильность частоты ±1·1010 в интервале температур -40…70°С, долговременная стабильность частоты – 1·10-8 за год и 5·10-8 за 10 лет, кратковременная нестабильность частоты (КНЧ) – 1·10-12 за 1 с, уровень фазовых шумов (ФШ) составляет -115 и -160 дБ/Гц при отстройках от несущей на 1 Гц и 10 кГц, соответственно.
ТСКГ изготавливаются как на основе резонаторов с внутренним термостатированием (резонаторы-термостаты – РТ) (рис.1) [1], так и с использованием кварцевых резонаторов (КР) в вакуумных металлических корпусах с внешним термостатированием.
Генераторы на основе РТ (табл.2) были первыми прецизионными КГ, освоенными в производстве на заводе "МОРИОН". Благодаря высоким теплоизолирующим свойствам вакуума и хорошей тепловой связи нагревателя с пьезоэлементом применение РТ и сейчас позволяет проектировать и выпускать наиболее экономичные по энергопотреблению ТСКГ с самым быстрым выходом на рабочий режим после включения. Генераторам на основе РТ присущи такие характеристики, как высокая стабильность частоты, низкий уровень ФШ (рис.2) и КНЧ (рис.3), а также высокая надёжность в условиях жёстких внешних воздействующих факторов (ВВФ).
В последние несколько лет за счет применения кварца SC-среза параметры КГ на РТ существенно улучшены. Сегодня на основе РТ выпускаются прецизионные генераторы с позисторным нагревателем (ГК54-ТС и ГК75-ТС) и с комбинированным транзисторно-плёночным нагревателем. Применение последнего наряду с серьезными мерами по улучшению конструкции термостатируемого узла [5] позволило добиться установления частоты генератора с точностью 1·10-7 за 30–60 с после включения (ГК68-ТС и ГК80-ТС).
Ещё одна особенность генераторов на РТ с комбинированным нагревателем – очень малое энергопотребление не только в установившемся, но и в переходном режиме после включения. Новыми устройствами этого типа являются низкопрофильные генераторы ГК93-ТС и ГК143-ТС, стойкие к жестким ВВФ. Благодаря использованию новейших РТ с диаметром баллона 13 мм высота корпуса генераторов – всего 17 мм.
Генераторы с внешним термостатированием резонатора уступают генераторам на основе РТ по энергопотреблению и скорости выхода на рабочий режим после включения. Однако у этих генераторов существенно лучшая температурная стабильность частоты и меньшие габариты. К тому же они более технологичны в производстве. Улучшение температурной стабильности частоты в значительной мере обусловлено уменьшением температурных градиентов в термостатируемом узле и самом пьезоэлементе, чего легче достигнуть у резонаторов с металлическими корпусами, выполняющими функцию первичного теплового шунта. У генераторов на основе РТ снижение температурных градиентов затруднено их конструкцией, а также противоречит стойкости к жестким механическим воздействиям.
Малогабаритные и миниатюрные прецизионные КГ используют КР в корпусах НС-43 с кварцем преимущественно SC-среза, реже – АТ-среза. Генераторы этого типа немного уступают КГ на основе РТ по стабильности частоты и спектральным характеристикам и значительно проигрывают по экономичности энергопотребления. Но при этом они гораздо дешевле и миниатюрнее генераторов на основе РТ (табл.3). Так, габариты самого миниатюрного из высокостабильных ТСКГ – ГК118-ТС – составляют 20ґ20ґ10 мм. Генератор ГК103-ТС на диапазон частот 10–40 МГц выполнен в стандартном "европейском" корпусе СО-08 с габаритами 36ґ27ґ16 мм.
Важное достижение АО "МОРИОН" – разработка термостатированных генераторов в корпусах для поверхностного монтажа (SMD). Первый генератор этого семейства – ГК115-ТС-SMD. Существенно, что освоены варианты его исполнения с напряжениями питания 3,3 и 5 В. Запущен в производство и SMD-генератор ГК140-ТС со значительно более высокой стабильностью частоты : ±5·10-9 (-20…70°С). Из-за худших условий теплоизоляции от внешней среды энергопотребление SMD ТСКГ несколько выше, чем у других генераторов этой группы.
Ультрапрецизионные КГ (класса 10-9) с одноступенчатым термостатированием, выпускаемые ОАО "МОРИОН", представлены в табл.4. Характерный представитель этого семейства – генератор ГК62-ТС, построенный на КР SC-среза в корпусе НС-37. Его конструкция оптимизирована по тепловым потокам. Повышенную точность поддержания температуры обеспечивает система термостатирования, дополненная узлом коррекции. Этот узел реагирует на изменение температуры окружающей среды, регистрируемой отдельным датчиком. В результате температурная нестабильность частоты составляет ±10-9 в интервале температур -40…70°C. По остальным показателям стабильности ГК62-ТС сопоставим с генераторами на основе РТ при достаточно малых габаритах (51х41х19 мм). Еще меньшей высотой (12,7 мм) отличается ГК90-ТС с аналогичными ГК62-ТС показателями стабильности. Это достигнуто за счёт применения резонатора в плоском корпусе НС-43. Типовой спектр ФШ ГК90-ТС показан на рис.4.
В 2004–2005 годы в производство передано высокоэффективное семейство унифицированных генераторов этого класса – ГК102-ТС и ГК172-ТС, варианты исполнения которых удовлетворяют самому широкому кругу запросов разработчиков аппаратуры. А в мае 2005 года закончена разработка миниатюрного (36,1ґ27,2ґ15 мм) ультрапрецизионного генератора ГК178-ТС. Он лишь немного уступает по температурной и долговременной стабильности генераторам данного класса с большим в два-три раза объемом. Напряжение питания нового генератора – 3,3 или 5 В.
Ультрапрецизионные КГ (класса 10-10) с двухступенчатым термостатированием (см. табл.4). Первым отечественным ультрапрецизионным КГ класса 10-10 по стабильности с двухступенчатым термостатированием стал генератор ГК89-ТС. Он выполнен на резонаторе SC-среза в корпусе НС-40 (рис.5). По температурной стабильности частоты ГК89-ТС на порядок и более превосходит КГ с одноступенчатым термостатированием и не уступает рубидиевым стандартам частоты. При этом он не только гораздо дешевле последних, но и намного превосходит их по КНЧ, спектральным характеристикам ФШ и массогабаритным показателям (рис.6–8).
Выпущенный в 2004 году генератор ГК142-ТС по показателям стабильности частоты идентичен ГК89-ТС, но его высота уменьшена с 38 до 25 мм, а энергопотребление почти в полтора раза ниже. В 2005 году был создан ещё более плоский ГК180-ТС высотой 19 мм (!) при тех же показателях стабильности частоты. В начале 2005 года передан в производство миниатюрный ультрапрецизионный генератор ГК145-ТС размером 36ґ27ґ19 мм с лишь несколько худшими показателями температурной и долговременной стабильности частоты (около ±3·10-10 и ±3·10-8/год, соответственно).
Развитие беспроводных сетей мобильной связи потребовало освоения технологий крупносерийного производства ультрапрецизионных генераторов класса 10-9 и 10-10, что успешно сделали специалисты ОАО "МОРИОН". В результате рассмотренные КГ имеют все шансы в ближайшие годы стать основными для решения многих задач частотно-временного обеспечения.
Высокочастотные прецизионные КГ с низкими уровнями ФШ и КНЧ представляют сегодня особый интерес в связи с общей тенденцией освоения всё более высоких частот в радиоэлектронике. Однако повышение частоты генераторов путём умножения приводит к росту фазовых шумов приблизительно на 6 дБ при каждом удвоении, что нередко затрудняет применение опорных генераторов диапазона 5–20 МГц. Эффективный путь получения высокой и стабильной частоты – разработка малошумящих высокочастотных генераторов на основе КР SC-среза с колебаниями пятого порядка (табл.5). Именно таким является генератор общепромышленного исполнения ГК87-ТС (рис.8, 9) на диапазон частот 50–700 МГц. В диапазоне 100–120 МГц частота автогенератора передаётся непосредственно на выход, для получения более высоких выходных частот используется встроенный умножитель на целое число в пределах от 2 до 7.
На основе ГК87-ТС в 2003–2004 годы разработан миниатюрный генератор ГК136-ТС для диапазона 50–120 МГц со значительно меньшими габаритами (36ґ27ґ16 мм), повышенной стойкостью к механическим воздействиям и расширенным интервалом рабочих температур. Спектр его ФШ идентичен ГК87-ТС без умножителя частоты. Завершена разработка и освоена модификация ГК136-ТС с напряжением питания 5 В. Для специальной аппаратуры предназначены генераторы ГК148-ТС и ГК174-ТС, характерная особенность которых – очень низкий уровень ФШ при эксплуатации в условиях жестких механических воздействий.
С ростом частоты КР уменьшается толщина пьезоэлемента и увеличивается долговременная нестабильность частоты. А чем больше номер используемой гармоники резонатора, тем сложнее подавить возбуждение нежелательных мод и гармоник. Кроме того, на гармониках свыше пятой или седьмой снижается добротность резонаторов. Поэтому на практике верхняя граница частоты прецизионных малошумящих генераторов без умножителей частоты не намного превышает 100 МГц.
Получить очень низкий ФШ в средней и дальней зонах (отстройка от несущей 1–10 кГц и более) со значительно сниженным ФШ в ближней зоне (при отстройках 1–100 Гц), а также высокую долговременную и температурную стабильность частоты позволяет устройство, содержащее два различающихся по частоте на порядок или более генератора, охваченных системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). В петлю ФАПЧ входит либо делитель частоты высокочастотного управляемого генератора, либо умножитель частоты низкочастотного опорного генератора. Здесь принципиально важно, что оба генератора реализованы и термостатированы в единой конструкции. Это позволяет существенно улучшить как стабильность частоты, так и спектральные характеристики. Спектр ФШ такого генератора – ГК137-ТС – в дальней зоне определяется высокочастотным генератором, а в ближней и средней – опорным низкочастотным генератором с добавлением шумов, вносимых цепью ФАПЧ (рис.10).
Термокомпенсированные кварцевые генераторы
Высокостабильные малошумящие термокомпенсированные кварцевые генераторы (ТККГ) заметно уступают термостатированным по стабильности частоты и уровню ФШ, однако существенно превосходят их по экономичности энергопотребления, массогабаритным характеристикам и скорости выхода на рабочий режим после включения (табл.6). Поэтому ТККГ устойчиво сохраняют значительную долю рынка пьезоэлектронной продукции.
В отличие от термостатированных генераторов, в ТККГ кварцевый резонатор работает при температуре, практически совпадающей с температурой окружающей среды. Стабильность повышается за счёт управляющего воздействия, вызывающего изменения частоты, противоположные собственным температурным изменениям частоты резонатора и в идеале равные им по величине. К резонаторам, предназначенным для ТККГ, предъявляются повышенные требования в отношении температурно-частотных характеристик, тщательно контролируемых в производстве.
Производство ТККГ было освоено заводом "МОРИОН" в конце 70-х годов. Сейчас предприятие располагает всем необходимым для изготовления десятков тысяч ТККГ общепромышленного и специального назначения в год. Широким спросом пользуется генератор ГК88-ТК, выпускаемый в двух вариантах: с выходным синусоидальным сигналом с напряжением 300±75 мВ на нагрузке 50 Ом или с сигналом ТТЛ/КМОП-уровня. Его фазовые шумы (рис.11) приемлемы для большинства современных потребителей.
Генератор ГК96-ТК был разработан для специальной аппаратуры. Его особенности – очень быстрый вход в режим после включения и стойкость к жёстким условиям эксплуатации. Выходной сигнал – импульсный ТТЛ/КМОП-уровня. Унифицированный генератор ГК99-ТК, также для специальной аппаратуры, выполнен в корпусе DIL-14 объёмом 2,5 см3. Возможные значения напряжения питания – 2,7; 3 и 5 В (с погрешностью ±5%). Выходной сигнал – синусоидальный с напряжением 400±150 мВ на нагрузке 10 кОм при допустимой нагрузочной ёмкости 5 пФ. При необходимости генератор может быть согласован на ёмкость более 5 пФ.
Генераторы ГК120-ТК и ГК121-ТК с малыми габаритами и массой выпускаются в общепромышленном исполнении. Их особенности – низкий уровень ФШ (ГК120-ТК, см. рис.11) и повышенное выходное напряжение – 500 мВ на нагрузке 2 кОм (ГК121-ТК). Генераторы ГК144-ТК, ГК146-ТК и ГК147-ТК предназначены для специальной аппаратуры. ГК146-ТК имеет синусоидальный выходной сигнал напряжением 300±75 мВ на нагрузке 50 Ом, ГК147-ТК – сигнал ТТЛ/КМОП-уровня. Отметим, что это весьма малошумящие генераторы.
Объем производства генераторов с эксплуатационной стабильностью частоты от ~10-9 до ~10-10 в ОАО "МОРИОН" составляет несколько десятков тысяч в год. Выпускаются высокочастотные прецизионные КГ, термокомпенсированные КГ высокого уровня, а также управляемые напряжением и тактовые КГ, кварцевые фильтры и резонаторы. Объём продаж предприятия за 10 лет вырос в 20 раз, причем более половины из них приходится на высокостабильные опорные генераторы. Немаловажно, что предприятие охотно и быстро модифицирует генераторы под конкретные требования заказчиков. Поэтому можно утверждать, что по крайней мере в плане высокостабильных генераторов отечественная промышленность избавлена от зависимости от зарубежных поставок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вороховский Я. Базовые и перспективные модели прецизионных кварцевых генераторов для телекоммуникационных и навигационных систем. – Электронные компоненты, 2003, № 5, с.57–61.
2. Добровольский А. Высокочастотные прецизионные малошумящие кварцевые генераторы. – Электронные компоненты, 2003, № 8, с.79–81.
3. Яковлев С., Ильичев В. Высокостабильные малошумящие термокомпенсированные кварцевые генераторы – базовые модели и их развитие. – Электронные компоненты, 2004, № 2, с.69–72.
4. Вороховский Я. "Чертова дюжина" основных шагов по коренной реорганизации предприятия. – Живая электроника России, 2004, с.17–19.
5. Пат. 2155442 РФ. Кварцевый резонатор с внутренним термостатированием / И.Г. Петросян. Кл. Н03Н 9/19, Н03Н 9/15. Приоритет 4 июня 1999 г. Опубл. 27 августа 2000 г. Патентообладатель ОАО "МОРИОН".
Отзывы читателей
