В.П. Литвинов, С.В. Богуславский
Аннотация.
В работе решается задача обеспечения высокой стабильности частоты кварцевых генераторов в широком диапазоне температур и обеспечении минимальных массогабаритных характеристик. Предложен метод расчета и анализа схемы терморегулирования. Технический результат достигнут за счет оригинальной конструкции тепловой камеры и оптимизации схемы терморегулирования с использованием программы MicroCap. Определены максимальные значения коэффициента стабилизации для устойчивой работы терморегулятора, а также представлены варианты конструкций разработанных генераторов и экспериментальные ТЧХ.
Высокостабильные автогенераторы, в которых используют кварцевые резонаторы, находят широкое применение в самых различных областях техники, в том числе, в устройствах генерирования и формирования радиосигналов, в телекоммуникационных и навигационных системах, в космической технике, в системах сбора и обработки информации, в устройствах мобильной связи, микропроцессорах и др. В частности, использование кварцевых генераторов в навигационном оборудовании и космической аппаратуре предъявляет к ним высокие требования по стабильности частоты в широком диапазоне термператур, к массогабаритным характеристикам и энергопотреблению.
Чтобы обеспечить высокую температурную стабильность частоты в широком диапазоне температур в автогенераторах используют термокомпенсацию уходов частоты кварцевого резонатора или его термостабилизацию.
Кратко рассмотрим их соответственно.
Полученные в настоящее время достижения в области проектирования термокомпенсированных кварцевых генераторов с резонаторами АТ — среза позволяют реализовать температурную стабильность частоты Δf/f = (1…5)*10-6 в диапазоне температур от минус 60оС до плюс 85оС.
Более высокой стабильностью частоты в широком диапазоне температур обладают термостатированные кварцевые генераторы. По сравнению с термокомпенсированными генераторами они имеют большие габариты, массу и потребление энергии, которое особенно возрастает при низких температурах окружающей среды. С учетом влияния различных дестабилизирующих факторов, использования современных технологий, элементной базы и материалов удается обеспечить в диапазоне температур от -40 оС до +80 оС минимальную нестабильность частоты до 5 * 10-8 при использовании резонаторов АТ – среза, а при использовании резонаторов SC – среза до 1 * 10-8 и лучше.
В последнее время интенсивное развитие радиоэлектроники и непрерывное совершенствование радиоаппаратуры требуют постоянного совершенствования термостатированных генераторов, в частности повышения стабильности частоты и расширения рабочего диапазона температур.
Проведенные исследования известных конструкций термостатированных кварцевых генераторов российских производителей [1,2] показали возможность не только расширения температурного диапазона при сохранении высокой стабильности частоты, но и обеспечение меньших массогабаритных характеристик.
Температура термостата, как правило, выбирается в пределах от +65 до +85 оС. Температурная стабильность частоты в большой степени зависит как от точности поддержания температуры в термостате регулятором температуры, так и от конструкции самого термостата. Поэтому в работе рассмотрены не только конструктивные особенности кварцевых генераторов, но и представлен тепловой расчет схемы регулировки температуры.
Схема регулировки и поддержания температуры в термостатированных генераторах обычно строится по структурной схеме, изображенной на рис. 1.
Рис.1. Схема регулировки и поддержания температуры,
где ДТ – датчик температуры
Схемная реализация может быть представлена множеством вариантов, однако при разработке принципиальной схемы были учтены следующие соображения:
а). Для обеспечения высокой надежности количество комплектующих деталей должно быть минимальным;
б). Конструктивное исполнение деталей — для поверхностного монтажа.
Аналитический расчет значительно усложняется из-за зависимости параметров транзисторов от температуры, поэтому анализ данной схемы лучше всего производить с помощью программы моделирования, например MicroCap.
Исходя из этих соображений, была разработана следующая схема (рис. 2). Температура любого нагревателя (t) определяется как сумма температуры окружающей среды (tamb) и температуры, рассеиваемой на нагревателе, которая определяется как произведение мощности (P), на величину его теплового сопротивления излучения Rt:
Эта же температура воздействует на датчик температуры в цепи управления и изменяет его сопротивление Rd(t). Тогда напряжение на входе усилителя U1(t) будет определяться соотношением:
При этом напряжение на входе нагревателя U2(t) с учетом коэффициента усиления Ky усилителя будет равно:
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема регулятора температуры
а мощность, рассеиваемая на нагревателе, соответственно будет равна:
где Sy = Iвых/Uвх – крутизна характеристики нагревателя,
- напряжение источника питания V2.
Поэтому формула (1) примет вид:
Как видно из формулы (5) данное выражение представляет собой трансцендентное уравнение, нахождение корней которого представляет собой непростую задачу. Альтернативой этому является аналитический расчет нагревателя с помощью программы MicroCap в режиме анализа постоянного тока DC [3]. Для этого задаем построение зависимости общей потребляемой мощности от температуры.
С помощью директивы MicroCap .define определяем переменные и константы, необходимые при построении графика:
• TTmax = 60 – максимальная температура окружающей среды;
• TTmin = — 10 – минимальная температура окружающей среды;
• P1 – мощность, потребляемая от источника V1;
• P2 – мощность, потребляемая от источника V2;
• Ptot – общая мощность, обеспечивающая нагрев;
• Pmin и Pmax – соответственно минимальная и максмальная мощность нагрева;
• 75 – температура термостата в ОС.
Окно задания пределов расчета представлено на рис. 3.
Одновременно проводим две прямые, определяющие мощность нагрева при крайних температурах окружающей среды Pmin и Pmax.
Рис. 3. Окно задания пределов анализа
Расчет схемы осуществляется нажатием клавиши F2 или кнопки RUN. В результате получаем график зависимости мощности нагрева от температуры нагрева, а точки пересечения прямых с кривой мощности нагрева определяют температуру нагрева при минимальной и максимальной окружающей температуре. Из графика на рис. 4 видно, что изменение температуры нагрева при изменении окружающей температуры на ΔTокр = 70 ОС составляет Δtнагр = 76,213 — 73,383 = 2,83 ОС. Коэффициент стабилизации Kst = Δtокр/Δtнагр = 70/2,83 = 24,7. Изменяя параметры схемы и проведя анализ можно оптимизировать величину коэффициента стабилизации.
При крутизне ТЧХ резонатора SC-среза 5.10-9/ОС максимальный уход частоты составит 5.10-9 х 2,83 = 1,4 . 10-8.
Рис. 4. Результат расчета нагревателя.
Следует отметить, что данный расчет не позволяет определить динамику работы нагревателя (время выхода в режим и устойчивость), так как для этого необходимо иметь тепловые параметры конкретной комплектации платы нагревателя, а также теплоемкости и теплопроводности элементов конструкции.
Опытным путем установлено, что тепловое сопротивление корпуса CO-08 размером 36х27х19 мм составляет 50 град/Вт. Кроме того, установлено, что коэффициент стабилизации Kst для обеспечения устойчивой работы не должен превышать значение 20 — 25 раз. Для обеспечения более высокого значения Kst необходимо применять двойное термостатирование или использовать термокомпенсацию ТЧХ в пределах изменения температуры термостата [4].
Из приведенного выше расчета можно сделать следующие выводы:
1. С помощью программы MicroCap возможно провести анализ и оптимизацию схемы нагревателя.
2. Для устойчивой работы терморегулятора необходимо, чтобы коэффициент стабилизации температуры не превышал значение 25-30, что позволяет в широком интервале температур получить максимальную величину изменения температуры порядка 3-4 ОС, что позволяет на резонаторах SC-среза получить нестабильность частоты (1,5 – 2).10-8.
3. Для получения стабильности порядка (1-5).10-9 необходимо применять двойное термостатирование.
С учетом вышеописанного метода расчета, анализа и оптимизации схемы терморегулирования с использованием комплектующих компонентов для поверхностного монтажа был разработан генератор [5], который состоит из трех печатных плат: платы задающего генератора, терморегулятора и усилителя-формирователя. На плате усилителя-формирователя смонтирован также стабилизатор напряжения. Генератор спроектирован в виде двух отдельных блоков.
Первый блок это термостатированная камера. Камера представляет собой параллелепипед, изготовленный из теплопроводящего материала – меди, который разделен на два отсека. В одном из отсеков расположен прецизионный резонатор. На верхней грани камеры с помощью пайки установлена печатная плата из тонкого стеклотекстолита, на которой размещена схема терморегулятора. В качестве элемента, определяющего стабильность частоты генератора, используется резонатор SC-среза, характеризующийся высокой добротностью, малым значением динамического и статического температурного коэффициента частоты.
Однако, для достижения стабильности частоты 5.10-8 и выше применение термостатирования одного только резонатора оказывается недостаточным, т.к. значительный вклад в нестабильность частоты вносят также элементы схемы генератора. Поэтому во второй отсек помещен и задающий генератор.
Блок 2 содержит усилитель и стабилизатор напряжения. Конкретная конструкция термостатированного кварцевого генератора ГК 193-ТС, представлена на рис. 5 и 6.
Генератор содержит наружный герметичный корпус 1 с основанием 2, на котором закреплена первая печатная плата 3 с установленными на ней нетермостатируемыми элементами схемы генератора 4 (в частности элементами схемы выходного усилительного каскада) и теплораспределяющей камерой 5, содержащей основание 6 и крышку 7. Термостатируемые элементы схемы генератора 8 и пьезоэлектрический резонатор 9 (рис.5) размещены на второй печатной плате 10, которая установлена в теплораспределяющей камере 5. Третья печатная плата 11 расположена на внешней стороне основной грани основания теплораспределяющей камеры 5. На третьей печатной плате 11 размещены элементы схемы регулятора температуры 12 с датчиком температуры 13 и нагревательными элементами 14. Основание теплораспределяющей камеры 6 жестко соединено с крышкой 7, внешняя сторона основной грани которой закреплена на теплоизоляционной прокладке 15, размещенной на первой печатной плате 3. Пространство между внешней поверхностью теплораспределяющей камеры 5 и внутренней поверхностью наружного корпуса 1 заполнено материалом с низкой теплопроводностью 16, который обеспечивает дополнительно сохранение тепла, в том числе возникающее из-за конвекции и излучения элементами схемы.
Расширение температурного диапазона при сохранении высокой стабильности частоты и обеспечении минимальных массогабаритных характеристик достигается за счет обеспечения равномерного температурного поля по всей площади пьезоэлектрической пластины при изменении температуры окружающей среды, поскольку нагревается верхняя поверхность основания теплораспределяющей камеры 5, которая параллельна основной грани пьезоэлектрической пластины. При этом более теплый воздушный поток всегда поднимается вверх, а наличие дополнительной тепловой перегородки с такой же относительной температурой, на которую не воздействует температура окружающей среды, т.к. она размещена между двумя нагреваемыми поверхностями, обеспечивает отсутствие тепловых потоков и создает соответственно минимальный градиент температуры. Использование фольги второй стороны печатной платы в качестве элемента теплораспределяющей камеры 5 обеспечивает также уменьшение габаритов. Нагревателем служит транзистор выходного каскада схемы регулятора температуры. Причем нагрев осуществляется через тонкую третью печатную плату 11, что дополнительно обеспечивает более равномерный нагрев основания теплораспределяющей камеры и уменьшение на нее влияния температуры окружающей среды. Внешняя температура окружающей среды обеспечивает минимальное воздействие на теплораспределяющую камеру 5 за счет того, что она не имеет непосредственного теплового контакта с наружным корпусом 1 и основанием 2, поскольку пространство между внешней поверхностью теплораспределяющей камеры 5 и внутренней поверхностью наружного корпуса 1 заполнено материалом с низкой теплопроводностью 16. Технологически осуществить такую конструкцию оказалось возможным только за счет того, что основание теплораспределяющей камеры 5, на котором была размещена третья печатная плата 11, расположено сверху, а ее крышка 15, размещенная снизу, закреплена на теплоизоляционной прокладке 15. При этом для обеспечения электрических контактов между платами необходимо было выполнить длину второй печатной платы больше длины основания теплораспределяющей камеры 5, а высоту одной из боковых граней меньше высоты трех других боковых граней этой камеры. Дополнительно уменьшение влияния внешней температуры на теплораспределяющую камеру 5 и, следовательно, на пьезоэлемент обеспечивается за счет размещения в пространстве между внешней поверхностью теплораспределяющей камеры 5 и внутренней поверхностью наружного корпуса 1 материала с низкой теплопроводностью 16.
На рис. 7. представлены результаты температурных испытаний пяти произвольно выбранных из серии 50-ти штук кварцевых генераторов на частоте 12,8 МГц, где по оси абсцисс отложена температура в оС, а по оси ординат – уходы частоты (Δf/f )•10-9.
Рис. 7. ТЧХ генераторов в интервале температур (- 10 ÷ + 70) оС
Габаритные размеры корпуса составляют 36 х 27 х 19 мм при общем объеме 18,5 см3 . При испытаниях кварцевого генератора с резонатором SC – среза были получены следующие результаты;
Температурная стабильность частоты
в интервале температур (- 40 ÷ + 80) оС составляла ±5 ∙ 10-9;
в интервале температур (- 10 ÷ + 70) оС составляла ±2,5 ∙ 10-9.
Уменьшение массогабаритных характеристик вышерассмотренного кварцевого генератора в более узком интервале температур было достигнуто за счет использования в качестве теплораспределяющей камеры корпуса пьезоэлектрического резонатора, выполненного из материала с высокой теплопроводностью. А сохранение высокой стабильности частоты в широком интервале температур обусловлено высокой точностью поддержания температуры [6]. Сущность разработанной конструкции генератора поясняется чертежами. На рис. 8 (вид сбоку) и рис. 9 (вид сверху) представлен один из вариантов конструкции термостатированного кварцевого генератора.
Генератор содержит, показанные на рис. 8 и 9, наружный герметичный корпус с крышкой 1 и основанием 2, на котором закреплена первая печатная плата 3 с установленными на ней нетермостатируемыми элементами схемы генератора 4 (в частности элементами схемы буферного усилительного каскада и стабилизатора напряжения) и корпусом пьезоэлектрического резонатора 5 выполняющего одновременно роль теплораспределяющей камеры. Термостатируемые элементы схемы генератора 6, в частности терморегулятор с одним или несколькими нагревательными элементами и пьезоэлектрический резонатор с корпусом 5, размещены на противоположных главных гранях второй печатной платы 7, которая закреплена на теплоизоляционной прокладке 8 с выполненным в ней углублением для размещения в нем корпуса пьезоэлектрического резонатора 5. Нижняя грань теплоизоляционной прокладки 8 закреплена на основании корпуса термостатированного пьезоэлектрического генератора 2, а пространство между внутренней поверхностью крышки 1 наружного герметичного корпуса и элементами схемы генератора заполнено материалом с низкой теплопроводностью 9, который обеспечивает дополнительно cохранение тепла, в том числе возникающее из-за конвекции и излучения элементами схемы.
Кварцевый генератор был выполнен в стандартном корпусе 155.15-2 с габаритными размерами 30 х 20 х 10 мм. В результате объем составил всего 6 см2.
При проведении температурных испытаниях кварцевого генератора были получены следующие результаты;
Температурная стабильность частоты
в интервале температур (- 40 ÷ + 70) оС составила ±1,2 ∙ 10-8;
в интервале температур (- 10 ÷ + 60) оС составила ±0,5 ∙ 10-8.
Литература:
1. Альтшуллер Г.Б., Елфимов Н.Н., Шакулин В.Г. Экономичные миниатюрные кварцевые генераторы. М.: «Связь», 1979;
2. Патент РФ № 2207704, МПК Н03Н 5/32, 2001;
3. Разевиг В.Д., Схемотехническое моделирование с помощью MicroCap 7, М.: Горячая линия – Телеком, 2003;
4. Литвинов В.П. и др. Термостатированный высокостабильный генератор. Патент РФ № 2311726, МПК Н03Н 5/32, 2006;
5. Богуславский С.В., Литвинов В.П., Горшков К.Г. Термостатированный пьезоэлектрический генератор: Патент на изобретение РФ №2310974, МПК: H03B 5/32, 2006 г.
6. Богуславский С.В., Литвинов В.П., Горшков К.Г. Термостатированный пьезоэлектрический генератор: Патент на изобретение РФ №2323517, МПК: H03B 5/32, 2006 г.
[one_fourth]
[/one_fourth][one_fourth_last]Богуславский Семен Владимирович,
ООО «БМГ-Кварц», генеральный директор;[/one_fourth_last]
[one_fourth]
[/one_fourth][one_fourth_last]
Литвинов Валентин Петрович,
к.т.н., профессор МГОУ;
ООО «БМГ-Кварц», научный консультант;
[/one_fourth_last]
ООО «БМГ-Кварц», Московский государственный открытый университет
Секция – Радиотехнические устройства.
_______________________________________________________________________________________