Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2005 №8

Высокостабильные малошумящие кварцевые генераторы

Вороховский Яков  
Ильичёв Владимир  

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, решающих 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.

Таблица 1. Основные параметры высокостабильных кварцевых генераторов АО «МОРИОН»
Основные параметры высокостабильных кварцевых генераторов АО «МОРИОН»

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 ±1×10–10 в интервале температур –40–70 °С, по долговременной стабильности: 1×10–8 за год и 5×10–8 за 10 лет, по кратковременной нестабильности частоты (КНЧ): 1×10–12 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 термостатированием, или резонаторов-термостатов (РТ) [1], так и на основе КР в вакуумных металлических корпусах с внешним термостатированием.

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 выходом на рабочий режим после включения. Кроме того, генераторам на основе РТ присущи:

  • высокая стабильность частоты: температурная нестабильность до ±1D10–8 в интервале –20...+70 °C, долговременная — до ±2D10–7 за 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 SC-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 1×10–7 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.

Рис. 1. Общий вид внутреннего устройства генераторов на основе РТ
Рис. 2. Типовой спектр фазовых шумов 5-МГц генератора на основе РТ SC-среза
Рис. 3. Типовая зависимость кратковременной нестабильности частоты от времени усреднения для 5-МГц генератора на основе РТ SC-среза

Основные параметры генераторов на основе РТ приведены в таблице 2.

Таблица 2. Основные параметры генераторов на основе РТ

1.2. Генераторы с внешним термостатированием резонатора уступают генераторам на основе РТ по экономичности энергопотребления и скорости выхода на рабочий режим после включения. Однако при этом возможно достижение существенно лучшей температурной 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 термостатируемом 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 SC-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 — 25×25×12,7 мм и 20×20×10 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 25×25×12,7 мм, обладает высокой стойкостью к механическим воздействиям.

Генератор ГК103-ТС на диапазон частот 10–40 МГц выполнен в стандартном «европейском» корпусе с габаритными размерами 36×27»16 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 25×22×14 мм, его внешний вид представлен на рис. 4. Важной особенностью для применения в современной аппаратуре является также наличие у него вариантов исполнения с напряжениями питания 3,3 и 5 В. Успешно завершена разработка и освоено производство SMD-генератора ГК140-ТС с существенно более высокой стабильностью частоты ±5×10–9 (–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.

Рис. 4. Внешний вид SMD-термостатированных генераторов ГК115-ТС-SMD и ГК140-ТС-SMD

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.

Таблица 3. Основные параметры малогабаритных и миниатюрных прецизионных генераторов

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 ±1×10–9 в интервале температур –40...+70 °C, прочие показатели стабильности соответствуют уровню генераторов с РТ, при достаточно малых габаритных размерах 51D41D19 мм. Общий вид конструкции генератора показан на рис. 5.

Рис. 5. Общий вид конструкции генератора ГК62-ТС

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.

Рис. 6. Общий вид конструкции генератора ГК90-ТС
Рис. 7. Типовая температурно-частотная характеристика генератора ГК90-ТС
|
Рис. 8. Типовая характеристика долговременной стабильности генератора ГК90-ТС («старение» за 17 суток)
Рис. 9. Типовой спектр ФШ генератора ГК90-ТС частотой 10 МГц

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 (36,1D27,2D15 мм) ультрапрецизионного 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.

Основные параметры ультрапрецизионных КГ с одноступенчатым термостатированием приведены в таблице 4.

Таблица 4. Основные параметры ультрапрецизионных КГ с одноступенчатым термостатированием

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 SC-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.

Рис. 10. Общий вид конструкции генератора ГК89-ТС
Рис. 11. Температурно-частотная характеристика генератора ГК89-ТС частотой 10 МГц
Рис. 12. Характеристика долговременной стабильности генератора ГК89-ТС
Рис. 13. Типовая зависимость КНЧ от времени усреднения для генератора ГК89-ТС
Рис. 14. Типовой спектр ФШ генератора ГК89-ТС частотой 10 МГц

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 ультрапрецизионный генератор ГК145-ТС, имеющий размеры 36D27D19 мм лишь при несколько худших показателях температурной и долговременной стабильности частоты (~ ×3×10–10 и ×3×10–8/год соответственно).

Основные параметры ультрапрецизионных генераторов с двухступенчатым термостатированием приведены в таблице 5.

Таблица 5. Основные параметры ультрапрецизионных генераторов с двухступенчатым

Принципиально важно, что развитие беспроводных сетей мобильной связи потребовало доведения технологии ультрапрецизионных 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 получения высокой и притом стабильной кварцованной частоты является разработка малошумящих высокочастотных генераторов на основе резонаторов SC-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 на рис. 17.

Рис. 15. Общий вид конструкции генератора ГК87-ТС
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

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 (36×27×16 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 возрастанием 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.

Рис. 18. Температурно-частотная характеристика генератора ГК137-ТС частотой 100 МГц
Рис. 19. Спектр ФШ генератора ГК137-ТС частотой 100 МГц

Основные параметры высокочастотных прецизионных КГ приведены в таблице 6.

Таблица 6. Основные параметры высокочастотных прецизионных КГ

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 управляющего воздействия, вызывающего изменения частоты, противоположные собственным температурным изменениям частоты резонатора, в идеале равные им по величине. К резонаторам, предназначенным для ТККГ, предъявляются повышенные требования в части «гладкости» температурно-частотных характеристик (ТЧХ). Соответствие этим требованиям в АО «МОРИОН» контролируется у каждого такого резонатора.

*Здесь надо помнить, что в отличие от ТСКГ ТККГ, как правило, строятся на резонаторах с колебаниями первого порядка, а не на обертонах.

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.

Рис. 20. Типовой спектр ФШ генератора ГК88-ТК

Генератор ГК96-ТК разработан для применения в специальной аппаратуре. Его особенности — 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 В с 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.

Рис. 21. Типовой спектр ФШ генератора ГК120-ТК

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 малошумящие генераторы.

Рис. 22. Типовой спектр ФШ генератора ГК146-ТК

Основные параметры ТККГ АО «МОРИОН» приведены в таблице 7.

Таблица 7. Основные параметры термокомпенсированных генераторов

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 малошумящие 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».

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке