Generatory - generatory kwarcowe

Trzecią część artykułu o generatorach poświęcimy na krótkie omówienie generatorów kwarcowych. Generator kwarcowy jest to generator, w którym do określenia i stabilizacji częstotliwości generowanego sygnału zastosowano rezonator kwarcowy. Może on być włączony w układzie jako równoległy lub szeregowy obwód rezonansowy. Częstotliwość rezonansu równoległego wynosi:

gdzie L i C to indukcyjność i pojemność obwodu zastępczego rezonatora, a C_O jest pojemnością obudowy.

Dla C_O >> C (w celu spełnienia tego warunku można dołączyć dużą pojemność równolegle do rezonatora) częstotliwość rezonansu równoległego staje się liczbowo bliska częstotliwości rezonansu szeregowego:

W układach generatorów rezonator kwarcowy może być włączony w pętlę sprzężenia zwrotnego wzmacniacza. W przedziale częstotliwości między rezonansem szeregowym a równoległym reaktancja rezonatora ma charakter indukcyjny, a więc może on być zastosowany jako element indukcyjny w typowym układzie generatora Colpittsa. Dzięki dużej dobroci rezonatora, a więc bardzo stromej jego charakterystyce fazowej wokół częstotliwości rezonansu równoległego uzyskuje się dużą stabilność częstotliwości generowanego przebiegu.

Generator kwarcowy (nazywany generatorem Pierce'a), którego układ elektryczny jest bardzo podobny do układu generatora Colpittsa, przedstawiono na poniższym rysunku.

Generator wytwarza przebieg sinusoidalny o częstotliwości rezonansu równoległego. Dzielnik pojemnościowy C₁, C₂ jest dobrany tak, aby jego pojemność zastępcza była równa żądanej pojemności dołączanej równolegle do rezonatora (zależy od niej częstotliwość rezonansu równoległego), natomiast stosunek C₁/C₂ określający wartość współczynnika sprzężenia zwrotnego, zapewniał spełnienie warunku amplitudy.

Rezonator kwarcowy może być również stosowany w układach generatorów jako układ rezonansowy szeregowy. Ponieważ wówczas nie odwraca fazy, więc musi być włączony w obwód sprzężenia zwrotnego wzmacniacza nieodwracającego.

W układzie tym warunek fazy jest spełniony dla częstotliwości rezonansu szeregowego, natomiast warunek amplitudy jest spełniony, gdy rezystancje R₁, R₂ i R₃ są dobrane zgodnie z zależnością: R₂/R₁ = R/R₃, gdzie R jest szeregową rezystancją strat rezonatora.

Rezonator kwarcowy może być również zastosowany w układzie generatorów LC jako dodatkowy element stabilizujący częstotliwość generowanego przebiegu, określoną parametrami obwodu LC. Wówczas rezonator kwarcowy pracujący w rezonansie szeregowym jest włączony w obwód sprzężenia zwrotnego typowego generatora LC, zapewniając dodatnie sprzężenie zwrotne (spełnienie warunku fazy) tylko dla częstotliwości rezonansu szeregowego. Główny obwód rezonansowy LC (o mniejszej dobroci) musi być jednak dostrojony do częstotliwości rezonansu szeregowego kwarcu lub jej harmonicznych. Umożliwia to generowanie stabilnych częstotliwościowe sygnałów, o częstotliwościach większych od podstawowej częstotliwości rezonansowej zastosowanego rezonatora. Wspólną cechą generatorów kwarcowych jest duża stałość częstotliwości generowanego przebiegu (rzędu 10^-6) i jej względnie mała wrażliwość na zmiany temperatury.