Богуславский С.В., Литвинов В.П., Струев В.В.
ООО «БМГ-Кварц», Московский государственный открытый университет
Кварцевые генераторы, как самостоятельные электронные компоненты начали выпускаться в СССР в конце 60-х начале 70-х годов. Как правило, это были относительно простые генераторы, имеющие синусоидальный выходной сигнал, невысокую стабильность частоты и значительные габариты. Основными параметрами являлись: рабочая частота и точность ее настройки, температурная стабильность частоты, уходы частоты за счет старения резонатора и форма выходного сигнала. По мере развития этой подотрасли пьезотехники стали появляться новые типы генераторов – управляемые и термокомпенсированные. Как следствие, расширилась область применения генераторов и на первые места стали выходить такие параметры, как кратковременная и долговременная стабильность частоты. Особенно актуальна стала кратковременная стабильность в систем ах с умножением частоты до ДМВ и СМВ диапазонов. Тогда и возникла необходимость измерения уровня фазовых шумов (ФШ), характеризующих кратковременную стабильность частоты. Разработанные в то время приборы для измерения фазовых шумов, такие как «Слава», «Серена» имели предельный уровень измерения порядка (-140 ÷ -145) дБ/Гц, поэтому существовало мнение, что ФШ определяются только схемотехникой генератора и не зависят от кварцевого резонатора. Это заблуждение просуществовало достаточно долго, пока не появились приборы (к сожалению импортные), позволяющие измерять шумы с уровнем до -170 дБ/Гц и ниже. Это позволило предположить и экспериментально доказать, что кварцевый резонатор сам также является источником ФШ, особенно в области фликкер шума. Экспериментально было установлено, что в одной партии резонаторов могут быть образцы, имеющие в два и более раз меньшую добротность, однако их ФШ при отстройке на 10 Гц оказались лучше на 10…15 дБ/Гц. С учетом вышеизложенного целью данной работы является попытка по возможности разобраться в вопросах ФШ кварцевых генераторов и найти способы их снижения.
Рассмотрим более подробно спектр ФШ генератора, представленный на рис.1 согласно [2]. В общем случае характеристика спектральной плотности ФШ представляет собой в логарифмическом масштабе кривую, состоящую из четырех отрезков прямых, не считая постоянной составляющей адаптивных шумов.
Область С – область белого шума с нулевым наклоном характеристики (0дБ/октава). В этой области спектральная плотность шума определяется мощностью высокочастотного сигнала Рс, коэффициентом шума активного элемента Fосs и температурой Тк, где К = 1,04•1023. Эта область начинается от частоты f = f0 / 2QL, где QL – нагруженная добротность контура, и доходит до частоты, равной половине полосы пропускания активной части генератора. Далее происходит спад характеристики – область D.
Область В – это область аддитивного (теплового) шума, в которой спектральная плотность шумов Sφ возрастает с наклоном 6 дБ/октава (дБ на октаву) или 20 дБ/декада (дБ на декаду). В данной области спектральная плотность шумов Sφ зависит от полосы пропускания резонансного контура, которая равна f0/2QL. Оптимальное значение нагруженной добротности находится в пределах (0,5 ÷0,67)Q0, где Q0 – собственная добротность резонансного контура.
Область А, в которой спектральная плотность ФШ Sφ возрастает с крутизной 9 дБ/октава или 30 дБ/декада является областью фликкер-шума. Природа фликкер-шума кварцевых генераторов еще недостаточно изучена. Однако исследования, провенденные в ООО «БМГ – Кварц» показали, что элементом, определяющим основной вклад в фликкер-шум является кварцевый резонатор, причем высокая добротность резонатора не всегда является достаточным условием минимального значения фликкер-шума. Так, например, в партии резонаторов частотой 12,8 МГц, используемых для термокомпенсированных генераторов ГК 321-ТК, разброс фликкер-шума достигал 20 дБ при разбросе добротности (20 ÷ 30)%, но при этом нередки были случаи, когда резонатор с меньшей добротностью обладал и меньшим значением фликкер-шума. Однако следует отметить, что фликкер-шум кварцевых резонаторов может быть уменьшен на 10 дБ/Гц и более с помощью специальной обработки, что является ноу-хау предприятия ООО «БМГ-Кварц». С использованием кварцевых резонаторов, подвергшихся вышеуказанной обработке, были разработаны ряд термокомпенсированных кварцевых генераторов, имеющих уровень фликкер-шума при отстройке от несущей частоты на 20 Гц – 120 дБ/Гц и лучше.
Рассмотрим достижения в области фазовых шумов кварцевых генераторов некоторых ведущих зарубежных фирм и постараемся сравнить их с генераторами российских производителей. Почти все зарубежные фирмы, выпускающие кварцевые генераторы, обязательно приводят в своих рекламных проспектах и справочниках характеристики ФШ. Причем такие характеристики представляются потребителям вне зависимости от типа генератора: управляемого по частоте, термостатируемого, термокомпенсированного или простого. Это говорит о том, что все эти фирмы имеют необходимую аппаратуру для измерения ФШ, несмотря на то, что она достаточно дорого стоит. Например, измеритель ФШ Е5052 Aqilent, позволяющий измерять шумы в режиме одного канала в США стоит 76 тыс. $, а в России на 32% дороже. По лучшим показателям характеристик ФШ наибольший интерес из зарубежных фирм представляет Wenzel Associates Inc. USA, которая специализируется на выпуске прецизионных генераторов с высокой кратковременной и долговременной стабильностью частоты. Например, опорный генератор на частоте fоп = 5 МГц имеет уровень ФШ при отстройке на 100 Гц (–168) дБ/Гц, а при отстройке на 10 кГц (- 177) дБ/Гц. Высокочастотный генератор на 100 МГц имеет уровень фазового шума (–135) дБ/Гц при отстройке частоты на 100 Гц и (-170) дБ/Гц при отстройке на 10 кГц. Другие фирмы зарубежных производителей имеют соответствующие параметры генераторов, как, минимум на 10 ÷ 20 дБ/Гц хуже.
В России в настоящее время имеется не более десятка фирм, выпускающих кварцевые генераторы. Из них большинство являются малыми предприятиями, которые имеют небольшую численность сотрудников и, поэтому, приобретение столь дорогостоящего измерительного оборудования, как измеритель ФШ, для них экономически не выгодно ввиду относительно ограниченной потребности отечественных генераторов внутри России. К сожалению, в нормативно – технической документации отечественных производителей, как правило, отсутствуют такие параметры, как спектральная плотность ФШ. А информация, о ФШ получаемая с Интернет–сайтов этих производителей, носит, в основном, рекламный характер и не может быть использована при разработке аппаратуры с повышенными требованиями к шумовым характеристикам.
В первые годы своей деятельности фирма «БМГ-Кварц» также изготавливала генераторы без требований к ФШ, однако в конце 90-х годов ряд заказчиков стали предъявлять конкретные требования к шумовым характеристикам генераторов. Сначала это касалось высокочастотных генераторов, а затем эти требования стали предъявлять практически ко всем типам кварцевых генераторов. Одним из первых таких генераторов, выпуск которого в то время достигал 150…200 шт. в месяц, стал термокомпенсированный генератор ГК321-ТК с частотой 12,8МГц, предназначенный для систем спутниковой навигации GPS/ГЛОНАСС. Его температурная стабильность частоты составляла ±1.10-6 в интервале температур -40…+70 ОС. В то время к этому генератору были предъявлены достаточно серьёзные требования в области фликкер-шума. При частоте отстройки от несущей частоты на 20Гц его спектральная плотность мощности шума не должна превышать -110дБ/Гц. Этих параметров удалось достигнуть с помощью подбора оптимального режима работы кварцевого гернератора, а также применения специальной обработки кварцевых резонаторов. На рис. 2 представлен график спектральной плотности ФШ данного генератора, измеренного на приборе AGILENT E5052. Как видно из графика значение шумов при отстройке 20Гц составляет менее -120дБ/Гц.
В зависимости от области конкретного применения кварцевых генераторов, требования к ним по ФШ при различных отстройках от несущей частоты разные, так например, в допплеровских системах требуются низкий уровень ФШ при больших >10кГц отстройках частоты. Реальные результаты при этом в термокомпенсированных генераторах составляли значение -150…-155 дБ/Гц.
В последующем был освоен ряд термостатированных кварцевых генераторов с малым уровнем ФШ. В настоящее время «БМГ-Кварц» выпускает 3 типа термостатированных кварцевых генераторов (ОСХО):
- ГК193-ТС с выходным сигналом в диапазоне частот (10…40) МГц со стабильностью частоты Δf/f менее ±1∙10-8 в интервале температур (-10…+60) 0С;
- ГК194-ТС с выходным сигналом в диапазоне частот (20…100) МГц со стабильностью частоты Δf/f менее ±5∙10-7 в интервале температур (-10…+60) 0С;
- ГК195-ТС – малогабаритный термостатированный кварцевый генератор объёмом 6см3 с выходным сигналом в диапазоне частот от 20 до 100МГц со стабильностью частоты Δf/f от ±5∙10-7 до ±1∙10-8 в интервале температур (-40…+70) ºС и напряжением питания 5В;
Ко всем этим типам генераторов предъявляются конкретные достаточно жесткие требования к спектральной плотности ФШ. В генераторе ГК193-ТС используются кварцевые резонаторы SC-среза частотой 10МГц (3-я механическая гармоника), и с помощью умножителей обеспечивается выходной сигнал требуемой частоты. Гармоники и субгармоники выходного сигнала подавляются с помощью кварцевого фильтра, подключенного непосредственно к выходу буферного усилителя. Такая конструкция и схемотехника генератора обеспечивает уровень его ФШ при отстройке частоты на 100 Гц — 145дБ/Гц и -169дБ/Гц при отстройке частоты на 10кГц. На рис. 3 представлен график спектральной плотности ФШ генератора с частотой 20МГц, измеренный на приборе AGILENT E5052. Как видно из него значение ФШ при отстройке на 10кГц составляет — 169дБ/Гц.
Краткие выводы:
1. Снижение уровня фазовых флюктуаций в области фликкер-шума достигается с помощью предварительного отбора кварцевых резонаторов и дальнейшим применением специальной технологической обработки.
2. Снижение уровня фазовых флюктуаций в области теплового шума (область С) обеспечивается не повышением рассеиваемой мощности на кварцевом резонаторе, что влечет за собой ухудшение долговременной стабильности частоты, а применением пьезоэлектрического фильтра, подключенного непосредственно к выходу буферного усилителя.
Литература
1. Vadim Manassewitsch. Frequency Synthesizers Theory and Design. Third Edition.
A John Wiley & Sons, Inc. 2005.
МАЛОШУМЯЩИЕ КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Богуславский Семен Владимирович, ООО «БМГ-Кварц», генеральный директор;
Литвинов Валентин Петрович, к.т.н., доцент, МГОУ, профессор; ООО «БМГ-Кварц», научный консультант;
Струев Владимир В, ООО «БМГ-Кварц», инженер; МГОУ, студент.
Адрес для переписки:
107207, Москва, ул. Байкальская, д. 25, корп. 1, кв. 130, Литвинов Валентин Петрович,
Тел. дом. 466-93-93; тел. моб. 8-903-220-98-96.
Секция – Радиоприемные и радиопередающие устройства.
Abstrakt. Работа посвящена анализу спектра фазовых шумов (ФШ) кварцевых генераторов. Представлены характеристики четырех областей: белого шума, спада белого шума, адаптивного шума и фликкер-шума. Кратко рассмотрены достижения в области ФШ кварцевых генераторов зарубежных и отечественных фирм. Представлены характеристики ФШ наиболее перспективных термокомпенсированных и термостатированных кварцевых генераторов, обеспечивающие малый уровень ФШ. Измерения были произведены с помощью измерителя ФШ Е5052 Aqilent. Даны некоторые рекомендации по снижению уровня ФШ в областях фликкер-шума и теплового шума.
_______________________________________________________________________________________