Современная электроника №6/2020

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 34 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2020 Особенности применения кварцевых генераторов с высокой температурной стабильностью Рис. 1. Зависимость частоты от температуры для разных видов кварцевых генераторов Рис. 2. Схема конструкции термостатированного генератора Современные термостатированные кварцевые генераторы могут обеспечивать очень высокую температурную стабильность частоты вплоть до ±1 × 10 –11 в широком диапазоне температур (–40…+85°С). Столь малые величины изменения частоты требуют некоторых особенностей при измерении и, соответственно, при эксплуатации таких генераторов. В статье рассматриваются особенности эксплуатации подобных генераторов, методики измерения температурной стабильности, а также влияние других факторов на неё. Александр Котюков, Аркадий Никонов (nikonov@morion.com.ru) , Алексей Заславский (zaslavsky@morion.com.ru) , Юрий Иванов (Ivanov-ua@morion.com.ru ) Одним из ключевых параметров кварцевых генераторов является тем- пературная стабильность частоты. Существует несколько разных мето- дов её обеспечения: 1. в простых (тактовых) кварцевых ге- нераторах (КГ) температурная ста- бильность обеспечивается только самим кварцевым резонатором за счёт выбора угла среза кварцевого элемента. Температурная стабиль- ность для таких генераторов может составлять ±(10…15) × 10 –6 в интерва- ле температур –40…+85 о С; 2. в термокомпенсированных квар- цевых генераторах (ТККГ) присут- ствуют дополнительные элементы, которые формируют управляющее напряжение, компенсирующее зави- симость выходной частоты от темпе- ратуры. Температурная стабильность для таких генераторов может состав- лять ±(1…3) × 10 –7 в интервале темпе- ратур –40…+85 о С; 3. в термостатированных кварцевых генераторах (ТСКГ) кварцевый ре- зонатор и основная часть элемен- тов находятся в термостате, поддер- живающем постоянную температуру. Температурная стабильность для та- ких генераторов может составлять до ±(1…5) × 10 –11 в интервале температур –40…+85 о С. На графиках рисунка 1 представле- на зависимость частоты от температу- ры для разных видов кварцевых гене- раторов. Далее будут рассмотрены именно тер- мостатированные генераторы, причём только самые высокостабильные. Для начала рассмотрим детально базовую конструкцию термостатиро- ванных генераторов. Как уже было ска- зано, в подобных генераторах все чув- ствительные к изменению температуры элементы находятся внутри термоста- та, в котором поддерживается посто- янная температура. Схематически это можно представить следующим обра- зом (см. рис. 2). Температура внутри термостата уста- навливается несколько выше (обыч- но на 5…15 о С) верхней рабочей тем- пературы эксплуатации генератора. Кроме того, она настраивается таким образом, чтобы температурная зависи- мость резонатора находилась в райо- не какого-то из его экстремумов (точки LTP и UTP на рисунке 3). Таким образом, обеспечивается минимальное измене- ние частоты кварцевого генератора от изменения температуры окружающей среды. Необходимость поддержания высо- кой температуры термостатом приво- дит к следующим отличительным чер- там термостатированных кварцевых генераторов: ● повышенный ток потребления при включении. Как только температура внутри термостата достигает задан- ного уровня, ток потребления суще- ственно уменьшается; ● необходимость первоначального прогрева. Характеризуется точно- стью установления частоты в опре- делённых пределах за фиксирован- ное время. Обычно составляет от 2 до 5 мин при температуре +25 о С с точ- ностью до ±2 × 10 –8 . Подобная базовая модель может обе- спечить температурную стабильность от ±1 × 10 –8 до ±5 × 10 –10 в зависимости от конструкции. Существует несколь- ко путей повышения температурной стабильности описанной конструкции: 1. использование двойного термоста- та. В подобных генераторах исполь- зуется дополнительный термостат, внутрь которого помещается базо- вый термостат. Это достаточно эф- фективный путь, который обычно позволяет достичь стабильности до ±1 × 10 –10 . Однако такой вариант несёт в себе неизбежные издержки: отно- сительно большие габариты и огра- ничение верхней рабочей темпера- туры эксплуатации генератора из-за необходимости делать большую раз- КГ ТККГ ТСКГ f 20 ppm 0,3 ppm 0,05 ppb f f T T T Блок управления Термостат Термодатчик КГ