CC BY
556Компоненты І кварцевые генераторы
Высокостабильные малошумящие
кварцевые генераторы
ЯковВОРОХОВСКИЙ, лауреат Государственной премии РФ,
к.т.н.
[email protected] Владимир ИЛЬИЧЕВ, к. т. н.
Острая конкуренция на открытом мировом и внутреннем рынках в условиях нарастающей глобализации стимулирует постоянное совершенствование изделий промышленности. Этому способствует радикальное облегчение доступа к использованию передовых технологий и элементной базы, включая зарубежные , что особенно существенно для предприятий, выпускающих наукоемкую продукцию.
Коренным образом улучшились условия получения научно-технической и справочной информации, при этом особенно важна ее достоверность и полнота. Однако в некоторых случаях широкий охват зарубежных информационных материалов сочетается с поразительным невниманием к продукции отечественных производителей. Например, российский автор Л. Белов в обзоре «Опорные генераторы», опубликованном в российском журнале «Электроника: НТБ» (2004 г., № 6, с. 38-44), не сообщает ничего об опорных кварцевых генераторах (КГ) российского производства. Аналогичная ситуация наблюдается и в обзоре «Российский рынок компонентов беспроводной связи», напечатанном в журнале «Современная электроника» (2005 г., № 1, с. 8-9), хотя отечественные КГ не только широко применяются в России, но и признаны и приняты к использованию за рубежом.
Достигнутый уровень параметров российских прецизионных и ультрапрецизионных КГ, объемы их производства и стоимость таковы, что они практически полностью удовлетворяют потребности внутреннего рынка РФ и вполне конкурентоспособны на мировом рынке. В профессиональных кругах, решаю-
щих задачи связи и частотно-временного обеспечения, достаточно хорошо известна продукция АО «МОРИОН», сведения о его опорных КГ на 2002-2003 гг. имеются в [1, 2, 3]. В настоящей статье, наряду со справочными данными о выпускаемых АО «МОРИОН» опорных КГ, рассмотрены новые результаты, полученные в этой области в 2004 — начале 2005 года [4]. Принципиальные особенности нашего развития, то есть «как мы дошли до жизни такой» после образования АО, рассмотрены в [5].
Для того чтобы заинтересованным читателям было проще сориентироваться, в таблице 1 дан «путеводитель» по статье, в котором указаны основные характерные параметры представленных в статье видов генераторов. Внимание (!): номера у видов конструктивно-технологических исполнений генераторов в таблице 1 соответствуют номерам разделов и подразделов статьи, где эти приборы описаны.
1. Прецизионные термостатированные генераторы
Конкурентоспособность рассматриваемых термостатированных КГ обеспечена высоким
уровнем всех параметров (характеризующих стабильность частоты) при небольших габаритных размерах, энергопотреблении, высокой надежности в жестких условиях эксплуатации и умеренной стоимости. Так, по температурной стабильности частоты достигнут уровень ±1х10-10 в интервале температур -40-70 °С, по долговременной стабильности: 1х10-8 за год и 5х10-8 за 10 лет, по кратковременной нестабильности частоты (КНЧ): 1х10-12 за 1с, по уровню фазовых шумов (ФШ): -115 дБ/Гц и -160 дБ/Гц при отстройках от несущей 1 Гц и 10 кГц соответственно.
Термостатированные КГ изготавливаются как на основе резонаторов с внутренним тер-мостатированием, или резонаторов-термостатов (РТ) [1], так и на основе КР в вакуумных металлических корпусах с внешним тер-мостатированием.
1.1. Генераторы на основе РТ 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 термостатированные КГ с самым быстрым
Таблица 1. Основные параметры высокостабильных кварцевых генераторов АО «МОРИОН»
1. Прецизионные термостатированные
1.1. На основе 1.2. С внешним термостатированием резонатора
Параметры резонаторов с внутренним 1.2.2., 1.2.3. Ультрапрецизионные компенсированные
термостатированием (РТ) и миниатюрные 1.2.2. С одноступенчатым термостатированием 1.2.3. С двухступенчатым термостатированием Высокочастотные
Эксплуатационная стабильность частоты (порядок) 10-8 10-8 10-9 10-10 10-710-9 10-6
Кратковременная нестабильность частоты за 1 с (1...5)х10-12 Ю-’’ 5х 10-12 (1...2)х10-12 - 10-10
Диапазон частот, МГц 4,4-20 4,0-40 4,0-40 4,0-16,384 50-700 9,6-20
Энергопотребление, Вт 0,3 1-2 2,5-3 3,5-4 1,5—3,5 0,02-0,1
Время выхода на режим, мин 1-3 3 5-8 10-15 5-10 0,01
Габаритные размеры, мм 51х(41...51)х(17...25) 20х20х10 25х25х 12,7 36х27х16 36х27х15 1х(41...51)х(13...25) 36х27х19 51х51х(25...38) 36х27х16 51х51х(12,7...25) 21х 13х9,5 36х27х10
Рис. 1. Общий вид внутреннего устройства генераторов на основе РТ
выходом на рабочий режим после включения. Кроме того, генераторам на основе РТ присущи:
• высокая стабильность частоты: температурная нестабильность до ±1х10-8 в интервале -20...+70 °С, долговременная — до ±2х10-7за 10 лет;
• низкий уровень ФШ;
• малые значения КНЧ;
• высокая надежность в условиях жестких внешних воздействующих факторов (ВВФ). В последние несколько лет КГ на РТ были
в основном переведены на 8С-срез кварца, и таким образом существенно улучшены.
В настоящее время на основе РТ производятся следующие прецизионные генераторы: ГК54-ТС и ГК75-ТС — на РТ с позисторным нагревателем;
ГК68-ТС и ГК80-ТС — на РТ с комбинированным транзисторно-пленочным нагревателем, применение которого совместно с серьезными мерами по улучшению конструкции термостатируемого узла [6] позволило сократить время установления частоты генератора с точностью в 1х10-7 до 30-60 с.
Еще одна особенность генераторов с РТ, имеющими комбинированный нагреватель, — очень малое энергопотребление не только в установившемся, но и в переходном режиме после включения. Новыми в этом виде являются «низкопрофильные» генераторы ГК93-ТС и ГК143-ТС, предназначенные для применения в условиях жестких ВВФ. Высота корпуса таких генераторов 17 мм, в них используются новейшие РТ с диаметром баллона 13 мм.
Общий вид конструкции генераторов на РТ показан на рис. 1, типовой спектр ФШ представлен на рис. 2, а типовая зависимость кратковременной нестабильности частоты от времени усреднения — на рис. 3.
Основные параметры генераторов на основе РТ приведены в таблице 2.
1.2. Генераторы с внешним термостатиро-ванием резонатора уступают генераторам на основе РТ по экономичности энергопотребления и скорости выхода на рабочий режим после включения. Однако при этом возможно достижение существенно лучшей тем-
Таблица 2. Основные параметры генераторов на основе РТ
Параметры ГК54-ТС ГК75-ТС ГК68-ТС ГК80-ТС ГК93-ТС ГК143-ТС
Стандартные частоты, МГц 4,9152; 5,0; 6,4; 8,192; 9,8304; 10,0; 12,8; 16,384; 20,0 9,6 10,0 10,0 10,1507 9,166208 10,0 9,0-13,0
Габаритные размеры корпуса, мм 51x51x25 51х41х25 51х41х25 51х41х17 51х41х17
Температурная нестабильность частоты в интервалах: -10...+60 (+70) °С -40...+70 °С -60...+70 °С ±5х10-9 ±1,5х10-8 ±2,5х10-8 ±1х10-8 ±2х10-8 ±3х10-8 ±1х10-8 ±2х10-8 ±5х10-8(-30...+50) ±2х10-7(-55...+60) ±5х10-8
Долговременная нестабильность частоты: за год, х10-8 за 10 лет, х10-7 ±(3—5) ±2 ±20 ±5 ±20 ±5 ±20 ±5 ±20 ±5
Кратковременная нестабильность за 1 с (девиация Аллана) 1х10-12 2х10-12 (0,5-2)х10-11 5х 10-11 3х10-11 1х 10-10 2х10-11
Фазовый шум, дБ/Гц, (для 10 МГц): при Д! = 1 Гц при Д! = 10 000 Гц -105 (10МГц) -115 (5МГц) -160 —80 —157 —90 -155 —70 -150 (Дї = 10 Гц) -120 -155
Напряжение питания, В 12 12 5 12 12 12
Потребляемый ток, мА: в установившемся режиме пиковый, при разогреве 40 400 40 120 40 250 35 150 40 140 40 100
Время установления частоты сточностью 1 х 10-7, мин 3; 5 1 1 1 (±5х 10-7) 1 (±5х 10-7) 3 (±1х10-7)
Вибростойкость: диапазон частот, Гц ускорение,д 1-2000 10 1-2000 8 10-200 8 1-2000 10 1-2000 10
Механический удар одиночного действия: ускорение,д 150 100 100 300 150
Рис. 3. Типовая зависимость кратковременной нестабильности частоты от времени усреднения для 5-МГц генератора на основе РТ вС-среза
пературной стабильности частоты и меньших габаритных размеров КГ, которые к тому же могут быть более технологичными и менее трудоемкими в производстве. Возможность улучшения температурной стабильности частоты в значительной мере связана со снижением температурных градиентов в термостати-руемом узле и самом пьезоэлементе, что легче достигается у резонаторов с металлическими корпусами, выполняющими функцию первичного теплового шунта. У РТ возможность уменьшения градиентов затруднена сущностью их конструкции, а также противоречит стойкости к жестким механическим воздействиям.
1.2.1. Малогабаритные и миниатюрные прецизионные КГ
Генераторы этой группы выполняются на резонаторах в корпусах НС-43, преимущественно 8С-среза, реже — АТ-среза. Несколько уступая генераторам на основе РТ по стабильности частоты и спектральным характеристикам, значительно уступая им по экономичности энергопотребления, они, однако, гораздо дешевле и имеют значительно меньшие габаритные размеры.
Габаритные размеры генераторов ГК85-ТС и ГК118-ТС — 25x25x12,7 мм и 20x20x10 мм соответственно. Генератор ГК118-ТС является нашим самым миниатюрным из высокостабильных термостатированных КГ.
Генератор ГК95-ТС, разработанный для использования в специальной аппаратуре, имеет, как и ГК85-ТС, габаритные размеры 25x25x12,7 мм, обладает высокой стойкостью к механическим воздействиям.
Генератор ГК103-ТС на диапазон частот 10-40 МГц выполнен в стандартном «европейском» корпусе с габаритными размерами 36x27x16 мм.
Существенным является появление термостатированных генераторов, предназначенных для использования по SMD-технологии, то есть для поверхностного монтажа.
Генератор ГК115-ТС-SMD — первый из семейства предназначенных для поверхностного монтажа, имеет размеры 25x22x14 мм, его внешний вид представлен на рис. 4. Важной особенностью для применения в современной аппаратуре является также наличие у него вариантов исполнения с напряжениями пи-
Таблица 3. Основные параметры малогабаритных и миниатюрных прецизионных генераторов
Параметры ГК85-ТС ГК118-ТС ГК95-ТС ГК103-ТС ГК115-ТС-SMD ГК140-ТС-SMD
Диапазон частот, МГц 10.25 10.25 - 10.40 10.40 -
Стандартные частоты, МГц 10,0; 12,8; 13,0 16,0; 20,0; 25,0 10,0; 12,8; 13,0 16,0; 20,0; 25,0 10,0 19,683 10; 12; 12,8; 13; 15,36; 16; 16,384; 20; 26; 30,72; 32; 32,768 10; 12,8; 16,384; 20; 26; 32,768; 40 10,0
Габаритные размеры корпуса, мм 25х25х 12,7 20х20х10 25х25х 12,7 36х27 х16 25х22х15 25х22х14
Температурная нестабильность частоты в интервалах: -10...+60 (+70) °С -40...+70 °С -60.+70 °С ±1х10-8 ±3х 10-8 ±1х10-8 ±2х 10-8 ±1х10-8 ±2х10-8 ±5х10-8 ±5х 10-9 ±2х 10-8 ±1х10-8 ±2х10-8 —20...+70 °С: ±5х 10-9
Долговременная нестабильность частоты: за год, х 10-7 за 10 лет, х10-7 ±(0,5.1) ±5 ±(0,5.1) ±5 ±1 ±5 ±(0,5.1) ±5 ±(0,5.1) ±5 ±(0,5.1) ±5
Кратковременная нестабильность за 1 с(девиация Аллана) 5х10-11 5х10-11 3х 10-9 (1.50) мс 2х 10-11 2х 10-11 5х 10-12
Фазовый шум, дБ/Гц, (для 10 МГц): при Дї = 1 Гц при Дї = 10 000 Гц -- 1 35 55 -- 1 55 50 -90 -150 —90 -150 —90 -145 —90 -150
Напряжение питания, В 5 12 3,3 5 12 5 12 3,3 5 12
Потребляемый ток, мА: в установившемся режиме пиковый, при разогреве 200 600 80 300 250 700 150 450 150 500 200 600 80 300 300 720 200 600 80 300
Время установления частоты с точностью 1х10-7, мин 3 3 3 с точностью 1х10-6 3 3 3
Вибростойкость: диапазон частот, Гц ускорение,д 1-500 10 1-500 10 1-2000 15 1-500 10 1-500 10 1-500 10
Механический удар одиночного действия: ускорение,д 100 100 100 100 100 100
тания 3,3 и 5 В. Успешно завершена разработка и освоено производство SMD-генератора ГК140-ТС с существенно более высокой стабильностью частоты ±5x10-9 (-20...+70 °С) и теми же габаритными размерами. Энергопотребление SMD-термостатированных генераторов в целом несколько выше, чем у других генераторов этой группы, из-за худших условий теплоизоляции от внешней среды.
Благодаря высокой стабильности частоты, неплохим КНЧ и ФШ при весьма малых габаритах и умеренном энергопотреблении генераторы этой группы широко применяются в самых различных областях. Их основные параметры приведены в таблице 3.
1.2.2. Ультрапрецизионные КГ (класса 10-9) с одноступенчатым термостатированием
Генератор ГК62-ТС построен на резонаторе SC-среза в корпусе НС-37, конструкция оптимизирована по тепловым потокам. С целью повышения точности поддержания температуры система термостатирования дополнена органами коррекции, реагирующими на изменения окружающей температуры, воспринимаемые отдельным датчиком. Достигнута температурная нестабильность частоты ±1x10 ^ в интервале температур -40...+70 °С, прочие показатели стабильности соответствуют уровню генераторов с РТ,
при достаточно малых габаритных размерах 51x41x19 мм. Общий вид конструкции генератора показан на рис. 5.
Генератор ГК90-ТС, обладая показателями стабильности, близкими к генератору ГК62-ТС, отличается от него уменьшенной до 12,7 мм высотой, что достигнуто за счет «плоского» резонатора в корпусе НС-43 и заметно расширяет возможности его применения в аппаратуре с жестким ограничением компонентов по высоте. Общий вид конструкции показан на рис. 6, типовые характеристики — на рис. 7-9.
В 2004-2005 гг. в производство передано высокоэффективное «семейство» унифицированных генераторов этого класса — ГК102-ТС и ГК172-ТС — с исполнениями, охватывающими самый широкий круг запросов разработчиков аппаратуры.
В мае 2005 года закончена разработка миниатюрного (36,1x27,2x15 мм) ультрапреци-зионного генератора ГК178-ТС, совсем немного уступающего по температурной и долговременной стабильности генераторам данного класса, имеющим в 2-3 раза больший объем. Этот генератор по питанию предназначен для работы от присущих современной аппаратуре источников 3,3 В и 5 В.
Рис. 4. Внешний вид SMD-термостатированных генераторов ГК115-ТС-SMD и ГК140-ТС-SMD
Термостат
Плата с термостатируемыми элементами Плата с нетермостатируемыми элементами
Рис. 6. Общий вид конструкции генератора ГК90-ТС
Таблица 4. Основные параметры ультрапрецизионных КГ с одноступенчатым термостатированием
Параметры ГК62-ТС ГК90-ТС ГК102-ТС ГК172-ТС ГК178-ТС
Диапазон частот, МГц 5.16,384 10.16,384 5.40 4.20 5.10
Стандартные частоты, МГц 5,0; 8,192;10,0; 16,384 10,0; 13,0; 16,384 5,0; 8,192; 10,0; 16,384 4,096; 5,0; 8,192; 10,0; 16,384; 20 5,0; 8,192; 10,0
Габаритные размеры корпуса, мм 51х41х19 51х41х25 51х41х12,7 51х51х12,7 51 х51х19 (16) 51х51х13 51х51х19 51х51х25 36х27х15
Температурная нестабильность частоты в интервалах: -10.+60 (+70) °С -40...+70 °С ±(0,5.1)х10-9 ±(1.2)х10-9 ±1х10-9 ±2,5х 10-9 ±2х 10-9 ±4х 10-9 ±1х10-9 ±2х 10-9 ±2,5х 10-9 ±5х 10-9
Долговременная нестабильность частоты: за год, х 10-8 за 10 лет, х10-7 ±(3.5) ±(1,5...2,5) ±5 ±3 ±3 ±2 ±1 ±1 ±3 ±2
Кратковременная нестабильность за 1 с (девиация Аллана) 1 х 10-11 1 х 10-11 5 х 10-12 3х 10-12 5х 10-12
Фазовый шум, дБ/Гц: при Дї = 1 Гц при Дї = 10000 Гц Для 5 МГц: -100 -155 Для 10 МГц: -90 -150 Для 8,192 МГц: -95 -155 Для 5 МГц: -100 -155 Для 10 МГц: -90 -150
Напряжение питания, В 12 12 5 12 5 12 3,3 5
Потребляемый ток, мА: в установившемся режиме пиковый, при разогреве 180 500 200 500 500 1200 200 600 500 1200 200 600 350 1200 250 800
Время установления частоты, мин 5 (в ±5х 10-8) 5 (в ±5х 10-9) 5 (в ±1х10-8) 8 (в ±1х10-8) 5 (в ±1х10-8)
Вибростойкость: диапазон частот, Гц ускорение, д 1-200 5 1-200 5 1-200 5 1-200 5 1-200 5
Механический удар одиночного действия: ускорение,д 100 40 75 75 75
Основные параметры ультрапрецизионных КГ с одноступенчатым термостатированием приведены в таблице 4.
1.2.3. Ультрапрецизионные КГ (класса 10-10) с двухступенчатым термостатированием
Генератор ГК89-ТС — первый отечественный ультрапрецизионный КГ с двухступенчатым термостатированием класса 10-10 по стабильности. Он выполнен на резонаторе БС-среза в корпусе НС-40. По температурной стабильности частоты на порядок и более превосходит кварцевые генераторы с одноступенчатым термостатированием, превосходит даже и рубидиевые генераторы, будучи к тому же намного лучше последних по спектральным характеристикам ФШ, по КНЧ и массогабаритным показателям и имея гораздо более низкую стоимость. Общий вид конструкции КГ представлен на рис. 10, типовые характеристики указаны на рис. 11-14.
Новый генератор ГК142-ТС (2004 г.) по стабильности частоты имеет характеристики, идентичные ГК89-ТС, отличаясь от него высотой, уменьшенной с 38 до 25 мм, и почти в 1,5 раза меньшим потреблением, что существенно расширяет возможности его использования в современной аппаратуре. В результате дальнейших работ, проведенных в 2005 году, появился еще более «плоский» ГК180-ТС,
с высотой 19 мм (!) при той же стабильности частоты.
В 2004 — начале 2005 года разработан и передан в производство миниатюрный ультра-прецизионный генератор ГК145-ТС, имеющий размеры 36x27x19 мм лишь при несколько худших показателях температурной
и долговременной стабильности частоты (~ ±3x10-10 и ±3x10-8/год соответственно).
Основные параметры ультрапрецизионных генераторов с двухступенчатым термо-статированием приведены в таблице 5.
Принципиально важно, что развитие беспроводных сетей мобильной связи потре-
Рис. 9. Типовой спектр ФШ генератора ГК90-ТС частотой 10 МГц
52 компоненты кварцевые генераторы
Рис. 11. Температурно-частотная характеристика генератора ГК89-ТС частотой 10 МГц
Рис. 12. Характеристика долговременной стабильности генератора ГК89-ТС
Allan Deviation ау(х)
і lilt — Г ■ :ш_ :j ТТЛ Ш ..і....
І І І. щЦ— ГЇІП 1 —
N, H; mit — 1 Titîi “ГГ тп п ~ ттНт Tnt'"
Д - ¡11
\ц J.
V III
|К тИГ 1 і
10-* 10-’ 10® 10» 102 10» Averaging Time т, seconds
Ch A: 10.0 MHz 1.1 V*, Ch B: 10.0 MHz 0.8 Vpp
Instantaneous Phase B/A=Single DDS
Рис. 13. Типовая зависимость КНЧ от времени усреднения для генератора ГК89-ТС
Рис. 14. Типовой спектр ФШ генератора ГК89-ТС частотой 10 МГц
бовало доведения технологии ультрапре-цизионных генераторов, представленных в п. п. 1.2.2., 1.2.3. (то есть классов 10-9 и 10-10), до требований крупносерийного производства. И эта задача АО «МОРИОН» была успешно решена. Судя по всему, данные КГ имеют все шансы стать основными для решения многих задач частотно-временного обеспечения в ближайшие годы.
1.2.4. Высокочастотные прецизионные КГ Задача создания высокостабильных КГ с низкими уровнями ФШ и КНЧ на возможно более высокие частоты очень актуальна в связи с общей тенденцией освоения все более высоких частот в радиоэлектронике. Повышение частот путем умножения сопровождается возрастанием фазовых шумов приблизительно на 6 дБ при каждом удвоении, что нередко затрудняет применение опорных генераторов диапазона 5-20 МГц. Эффективным путем
Таблица 5. Основные параметры ультрапрецизионных генераторов с двухступенчатым
Параметры І-ШІЇ-ТС 1-шо-тс
Стандартные частоты, МГц 4,096; 5,0; 8,192; 10,0; 16,384 4,096; 5,0; 8,192; 10,0 5,0; 8,192; 10,0 5,0; 10,0
Габаритные размеры корпуса, мм 51x51x38 51x51x25 36х27х19 51х51х19
Температурная нестабильность частоты в интервалах: -10...+60 (+70) °С -40...+70 °С ±(0,5.1)х10-10 ±1,5х10-10 ±(1...2)х10-11 ±(2...3)х10-11 ±3х10-10 ±5х 10-10 ±1х10-10 ±3х10-10
Долговременная нестабильность частоты: за год, х10-8 за 10 лет, х10-7 ±(0,5.2) ±(0,3.1) ±(0,5.2) ±(0,3.1) ±3 ±2 ±2 ±1
Кратковременная нестабильность за 1 с (девиация Аллана) 1х10-12 2х10-12 (1.3)х10-12 5х10-12 3х10-12
Фазовый шум, дБ/Гц: при Д! = 1 Гц при Д! = 10 000 Гц Для 5 МГц: -105 -155 Для 5 МГц: -105 -155 Для 10 МГц: -95 -150 Для 10 МГц: -95 -150
Напряжение питания, В 12 12 12 12
Потребляемый ток, мА: в установившемся режиме пиковый, при разогреве 350 1500 250 1000 180 700 250 500
Время установления частоты, мин, с точностью ±1х10-8 15 15 10 10
Вибростойкость: диапазон частот, Гц ускорение,д 1-500 1-500 1-500 10 1-500 5
Механический удар одиночного действия: ускорение,д 75 75 150 150
Термостатированная область Выходной буффер
Рис. 15. Общий вид конструкции генератора ГК87-ТС
получения высокой и притом стабильной кварцованной частоты является разработка малошумящих высокочастотных генераторов на основе резонаторов 8С-среза с колебаниями 5-го порядка.
Именно таким является генератор общепромышленного исполнения ГК87-ТС на диапазон частот 50-700 МГц. В диапазоне до 100-120 МГц частота автогенератора передается на выход без умножения, генератор с более высокой выходной частотой содержит встроенный умножитель на целое число
в пределах 2-7. Общий вид конструкции генератора представлен на рис. 15, спектр ФШ генератора частотой 100 МГц — на рис. 16, а генератора частотой 500 МГц показан нарис. 17.
Миниатюрный генератор ГК136-ТС с диапазоном частот 50-120 МГц разработан в 2003-2004 гг. на основе ГК87-ТС для применения в компактной аппаратуре, отличается от него значительно меньшими габаритными размерами (36x27x16 мм), повышенной стойкостью к механическим воздействиям и расширенным интервалом рабочих температур. Спектр ФШ идентичен ГК87-ТС без умножителя частоты. Только что завершена разработка и освоена модификация ГК136-ТС с напряжением питания 5 В, заметно расширяющая область применения этого прибора.
Генераторы ГК148-ТС и ГК174-ТС предназначены для использования в специальной аппаратуре. Их характерная особенность — сохранение очень низкого уровня ФШ при эксплуатации в условиях жестких механических воздействий.
С ростом частоты КР уменьшается толщина пьезоэлемента, что сопровождается воз-
растанием долговременной нестабильности частоты. С увеличением же номера используемой гармоники резонатора затрудняется подавление возбуждения нежелательных мод и гармоник. Кроме того, наблюдается снижение добротности резонаторов на гармониках свыше 5-й или 7-й. Поэтому верхняя граница частоты прецизионных малошумящих генераторов, подобных вышеупомянутым, без умножителей частоты на практике не намного превышает 100 МГц.
Совмещение в одном устройстве двух генераторов, связанных между собой системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), при различии их частот на порядок и более позволяет сочетать очень низкий ФШ в средней и дальней зонах (отстройка от несущей 1-10 кГц и более) с резко сниженным ФШ в ближней зоне (при отстройках 1-100 Гц), высокой долговременной и температурной стабильностью частоты. При этом высокочастотный генератор является управляемым и постоянно подстраивается под опорный — низкочастотный. В петлю ФАПЧ входит либо делитель частоты высокочастотного управляемого генератора, либо умножитель частоты низкочастотного опорного генератора.
Здесь принципиально важным является выполнение и термостатирование управляемого ВЧ-генератора в единой конструкции с опорным. Это позволяет существенно улучшить как стабильность частоты, так и спектральные характеристики данных приборов.
Генератор ГК137-ТС содержит термостатированные опорный и управляемый высокочастотный генераторы, связанные цепью ФАПЧ.
Температурно-частотная характеристика генератора дана на рис. 18. Спектр ФШ, показанный на рис. 19, в дальней зоне определяется высокочастотным генератором, а в ближней и средней — опорным низкочастотным генератором, с добавлением шумов, вносимых цепью ФАПЧ.
Основные параметры высокочастотных прецизионных КГ приведены в таблице 6.
Рис. 16. Типовой спектр ФШ генераторов ГК87-ТС и ГК136-ТС частотой 100 МГц
Рис. 17. Типовой спектр ФШ генератора ГК87-ТС частотой 500 МГц со встроенным умножителем частоты на 5
Рис. 18. Температурно-частотная характеристика генератора ГК137-ТС частотой 100 МГц
Таблица 6. Основные параметры высокочастотных прецизионных КГ
Рис. 19. Спектр ФШ генератора ГК137-ТС частотой 100 МГц
Параметры ГК87-ТС ГК136-ТС ГК148-ТС ГК174-ТС ГК137-ТС
Диапазон частот, МГц 50.700 50.120 56.100 - -
Стандартные частоты, МГц 61,44 100 500 100 56 80 100 56 100
Габаритные размеры корпуса, мм 51 х51 х 12,7 36х27 х16 51х51х25 50х40х22 51х51х19
Температурная нестабильность частоты в интервалах: -10.+60 (+70) °С -40.+70 °С -55.+70 °С ±1х10-7 ±1,5х10-7 ±5х 10-8; ±1х10-7 ±1,5х10-7 ±3х10-7 ±5х-10-7 ±5х-10-7 ±1х10-9 ±2х10-9 ±3х10-9
Долговременная нестабильность частоты: за год, х 10-8 за 10 лет, х10-7 ±3х10-7 ±2,5х10-6 ±3х10-7 ±2,5х10-6 ±5х 10-7 ±2,5х 10-6 ±5х 10-7 ±2,5х 10-6 ±5х10-8 ±2,5 х10-7
Фазовый шум, дБ/Гц, для частоты: при Дї= при ДЇ = 10 кГц 100 МГц 10 Гц -95 -165 500 МГц 100 Гц -110 -145 100 МГц 10 Гц -95 -165 56 МГц 300 Гц -125 -160 56 МГц 300 Гц -125 -160 100 МГц 10 Гц -105 -165
Напряжение питания, В 12 12 5 12 12 12
Потребляемый ток, мА: в установившемся режиме пиковый, при разогреве 120 400 150 450 150 500 300 950 400 600 400 600 300 700
Время установления частоты, мин 5 с точностью ±2х10-7 3 с точностью ±3х10-6 3 с точностью ±3х10-6 3 с точностью ±3х10-6 10 с точностью ±1 х10-8
Вибростойкость: диапазон частот, Гц ускорение,д 1-500 5 1-500 5 1-2000 5 1-2000 5 1-300 5
Механический удар одиночного действия: ускорение,д 100 100 100 100 100
2. Высокостабильные малошумящие термокомпенсированные кварцевые генераторы
Термокомпенсированные КГ (ТККГ) заметно уступают термостатированным по стабильности частоты и уровню ФШ*), однако существенно лучше их по экономичности энергопотребления, по массогабаритным характеристикам и по скорости выхода на рабочий режим после включения. Поэтому они устойчиво занимают значительную часть рынка пьезоэлектронной продукции. В отличие от термостатированных генераторов, в термокомпенсированном генераторе кварцевый резонатор работает при температуре, практически совпадающей с температурой окружающей среды. Стабильность повышается за счет управляюще-
*) Здесь надо помнить, что в отличие от ТСКГ ТККГ, как правило, строятся на резонаторах с колебаниями первого порядка, а не на обертонах.
го воздействия, вызывающего изменения частоты, противоположные собственным температурным изменениям частоты резонатора, в идеале равные им по величине. К резо-
наторам, предназначенным для ТККГ, предъявляются повышенные требования в части «гладкости» температурно-частотных характеристик (ТЧХ). Соответствие этим требованиям в АО «МОРИОН» контролируется у каждого такого резонатора.
Устойчивое производство ТККГ на заводе «МОРИОН» началось в конце 1970-х годов. В настоящее время ОАО располагает действующим оборудованием и кадрами, позволяющими изготавливать в год десятки тысяч ТККГ общепромышленного и специального применения. Ниже приводится краткая характеристика выпускаемых АО «МОРИОН» ТККГ, причем особое внимание уделено приборам, изготовленным за последние два года.
Генератор ГК88-ТК широко используется в современной аппаратуре. Он выпускается в двух вариантах, отличающихся выходным сигналом: с синусоидальным напряжением 300±75 мВ на нагрузке 50 Ом, или с ТТЛ/КМОП-совместимым сигналом. Фазовые шумы (см. рис. 20) удовлетворяют большинство современных потребителей.
Генератор ГК96-ТК разработан для применения в специальной аппаратуре. Его особен-
Рис. 20. Типовой спектр ФШ генератора ГК88-ТК
Таблица 7. Основные параметры термокомпенсированных генераторов
Параметр ГК88-ТК ГК96-ТК ГК99-ТК ГК120-ТК ГК121-ТК ГК144-ТК ГК146-ТК ГК147-ТК
Частота (диапазон), МГц 9,6.20 19,183 * 19,683 * 3,317278 9,8.20 9,6.20 9,6.20 9,6.20 9,6.20
Размеры корпуса, мм 36x27x10 25x25x12,7 21x13x9,5 (^ 14) 21x13x9,5 (^ 14) 20x20x10 36x27x10 36x27x8,5 (св.16 МГц) 25x25x8,5 (ГК 146-ТК) 25x25x12,7 (ГК 147-ТК)
Температурная нестабильность частоты, х10-6 (в интервале температур, °С) ±2,0 (-40...+70); ±0,5 (-30...+55) ±4,5 (-60...+80) ±3,0 (-55...+75); ±1,5...±2 (-40...+70) ±1,0 (-30.+70) 0) °-+. "И ^ (-4 ±2,0 (-60.+85) ± 0,5; 1,0 (-40.+70) Б!п, 10 МГц ±2,0 (-60.+85) ± 1,0 (-40.+70) ГК146, 10МГц
Долговременная нестабильность частоты за год, х10-6 ±1,0 ±1,0 ±1,0 ±1,0 ±1,0 ±1,0 ±1,0
Фазовый шум, дЬ/1ц, при отстройках от несущей: 10 Гц 10 кГц -90 -140 -70 -140 -95 -145 -95 -155 -95 -145 -90 -145 -95 -145
Номинальное напряжение питания, В 12 5 2,7 3 5 12 12 12 5
Потребляемый ток, мА 4 (Б!п) 30 12 5 6 9 (Б!п); 20 (ТТЛ-КМОП) 15 (ГК146); 30(ГК147)
Допустимые вибрации: диапазон частот, Гц ускорение,д 1-500 10 1-2000 15 1-2000 10 1-500 10 1-500 10 1-2000 10 1-2000 10
Механический удар одиночного действия: ускорение, д 500 1000 1000 100 500 1000 1000
* Возможен выпуск на частоту 20 МГц.
ности — очень быстрый вход в режим после включения и стойкость к жестким условиям эксплуатации. Выходной сигнал — импульсный, ТТЛ/КМОП-совместимый.
Унифицированный генератор ГК99-ТК разработан и поставляется для применения в специальной аппаратуре. Он выполнен в корпусе DIL-14 объемом 2,5 см3, обладает стойкостью к жестким условиям эксплуатации. По напряжению питания предусмотрено три варианта исполнения с номинальными значениями 2,7 В, 3 В и 5 Вс допустимыми изменениями ±5% каждое. Выходной сигнал — синусоидальный, напряжением 400±150 мВ на нагрузке 10 кОм, при допустимой емкости 5пФ. При необходимости может быть согласована величина нагрузочной емкости более 5 пФ.
Генераторы ГК120-ТК и ГК121-ТК изготавливаются в общепромышленном исполнении, имеют малые габаритные размеры и массу. Особенность ГК120-ТК — очень низкий уровень ФШ (см. рис. 21), особенность ГК121-ТК — повышенное выходное напряжение 500 мВ на нагрузке 2 кОм.
Генераторы ГК144-ТК, ГК146-ТК и ГК147-ТК предназначены для применения в специальной аппаратуре, характеризуются высокой стойкостью к воздействию внешних факторов. Напряжение питания ГК144-ТК — 12 В, двух других— 5 В. ГК146-ТК имеет синусоидальный выходной сигнал напряжением 300±75 мВ на нагрузке 50 Ом, ГК147-ТК — ТТЛ/КМОП-совместимый. На рис. 22 приведена типовая картина спектра ФШ генератора ГК146-ТК. Отметим, что это весьма мало-шумящие генераторы.
Основные параметры ТККГ АО «МОРИОН» приведены в таблице 7.
Заключение
Сейчас АО «МОРИОН» уверенно входит в первую пятеркупятерку (и даже уже тройку!) мировых производителей опорных кварцевых генераторов наивысшей стабильности.
Генераторы с эксплуатационной стабильностью частоты от ~10-9 до ~10-10 успешно производятся десятками тысяч в год. А кроме того, высокочастотные прецизионные КГ, термокомпенсированные КГ высокого уровня, управляемые напряжением, и тактовые КГ, а также кварцевые фильтры и резонаторы. Объем продаж за 10 лет вырос в 20 раз. Более половины его — именно высокостабильные опорные генераторы. При этом «МОРИОН» — крупный экспортер таких приборов для ведущих телекоммуникационных компаний мира.
Результаты деятельности предприятия получили высокую оценку. Так «МОРИОН» дважды стал лауреатом конкурса на премию за достижения в области электроники — «Золотой Чип» на международной выставке «ЧипЭКСПО»: в 2004 году — в номинации «За вклад в развитие российской электроники», в 2005 году — в номинации «За лучшую инновационную идею». ■
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 мало-шумящие термокомпенсированные кварцевые генераторы — базовые модели и их развитие // «Электроные компоненты». 2004, № 2. С. 69-72.
4. http:www.morion.com.ru
5. Вороховский Я. «Чертова дюжина» основных шагов по коренной реорганизации предприятия. «Живая электроника России-2004». С. 17-19.
6. Патент РФ № 2155442. Кварцевый резонатор с внутренним термостатированием. Петросян И. Г., кл. Н03Н 9/19, Н03Н 9/15, приоритет 4 июня 1999 г., опубл. 27 августа 2000 г., патентообладатель ОАО «МОРИОН».
