Термостатированные кварцевые автогенераторы

Кварцевые автогенераторы представляют собой стабильные источники колебаний фиксированной частоты. Благодаря высокой добротности и низкому уровню фазовых шумов они широко применяются в связном оборудовании различного назначения, военной и медицинской технике, аэрокосмической промышленности. Кроме того, высокостабильные кварцевые АГ могут использоваться в качестве стандартов частоты наряду с рубидиевыми (Rb), цезиевыми (Cs) и водородными (Hs) или входить в их состав в качестве вспомогательных элементов.

Особенностью термостатированных АГ является разогрев помещенного в термостат резонатора до определенной температуры и постоянное ее поддержание во время работы прибора.

Для обеспечения высокой стабильности частоты необходимо выполнение ряда условий по выбору температуры термостата. С одной стороны, она должна находиться в точке перегиба кривой частотно-температурной стабильности резонатора (рис. 1), что обусловливает максимальную устойчивость частоты при небольших вариациях температуры. С другой — внутренняя температура термостата должна быть несколько выше температуры окружающей среды. Это условие связано с выделением тепла активными и пассивными элементами автогенератора. Обычно значение внутренней температуры термостата выбирают на 10–15 °С выше максимально возможной температуры кварцевого АГ.

Рис. 1. Частотно-температурные кривые кварцевых пластин SC- и AT-

При выборе термостатированных автогенераторов учитываются как стандартные параметры, характеризующие автогенераторы [2], так и непосредственно связанные с наличием термостата: время выхода на рабочий режим (Warm up time) и мощность, необходимая для прогрева термостата (Warm up power).

Время выхода на рабочий режим — период с момента включения автогенератора до достижения номинальной стабильности частоты. Величина этого параметра составляет 1–10 мин (рис. 2) и зависит от температуры окружающей среды, типа термостатирования, степени изоляции термостата и предельно допустимого уровня потребляемой мощности такого прибора.

Рис. 2. Время выхода на рабочий режим при прогреве термостатированного автогенератора

Мощность прогрева термостата — уровень мощности, требуемый для приведения термостата в рабочее состояние. Максимальное потребление мощности (Р_{п макс.}) в термостатированных автогенераторах приходится на момент включения и прогрева устройства (рис. 3а), а также при работе на низких температурах (рис. 3б).

Рис. 3. Потребление мощности термостатированным автогенератором:
а) при включении;
б) при изменении температуры окружающей среды

В OCXO применяются резонаторы как АТ-, так и SC-среза. Чаще предпочтение отдается последним, поскольку в сравнении с пластинами АТ-среза они обладают лучшими характеристиками температурной стабильности (1–10 ppb) и старения (в среднем 2 ppb/день). При проектировании термостатированных автогенераторов нужно учитывать возможное влияние температурных характеристик всех его элементов, а не только резонатора. Компоненты АГ имеют собственные температурные характеристики, влияющие на общую стабильность частоты устройства. В зависимости от требуемого значения частотно-температурной стабильности и массогабаритных показателей, в термостат помещается только резонатор или резонатор вместе с термочувствительными элементами автогенератора. По этому принципу термостатирование делится на внутреннее и внешнее.

Кварцевые резонаторы с внутренним термостатированием построены на основе резонаторов-термостатов [5, 6]. В этом случае осуществляется непосредственный контакт кварцевого резонатора с датчиком температуры, в качестве которого выступают термисторы или позисторы, монтируемые на металлическое основание кварцедержателя. Разогрев, как правило, происходит с помощью транзистора. Кварцевая пластина с системой термостатирования размещается в вакуумированном корпусе ТО-8 (рис. 4). Особенность такого типа АГ заключается в малом времени установки частоты (стабильность 0,1 ppm достигается за 30–60 с [7]) и относительно небольшом энергопотреблении.

Рис. 4. Внешний вид кварцевого автогенератора с внутренним термостатированием

В прецизионных АГ с внешним термостатированием (рис. 5) стабильность частоты при изменении температуры в пределах –40…+80 °С составляет 0,5–300 ppb (табл. 1).

Рис. 5. Кварцевый автогенератор с внешним термостатированием в разрезе

Миниатюризация кварцевых АГ с внешним термостатированием возможна за счет применения некорпусированного кварцевого резонатора. Такая практика не является распространенной из-за ухудшения параметров старения резонатора. Однако специалисты компании Vectron International смогли обеспечить старение бескорпусного резонатора на уровне, близком к старению корпусированного резонатора, благодаря патентованной технологии EMXO (Evacuated Miniature Crystal Oscillator — вакуумированные термостатированные кварцевые автогенераторы, рис. 6). Размеры корпуса модели EX-380 составляют 20,8×13,2×7,6 мм. Уменьшение габаритных показателей позволило снизить мощность, потребляемую на разогрев термостата, и время выхода на рабочий режим. Выходная частота EMXO стабилизируется через 2–3 мин после включения до 100 ppb. Напряжение питания 3,3 и 5 В. Стабильность частоты при изменении температуры составляет примерно 10 ppb.

Рис. 6. EMXO
а) в разрезе;
б) структурная схема EX 380

Достижение частотно-температурной стабильности 0,3–1 ppb в термостатированных кварцевых автогенераторах возможно при использовании активного способа стабилизации частоты — микропроцессорной (МП) коррекции (Microprocessor Corrected Crystal Oscillator — MCXO, рис. 7, 8а).

Рис. 7. Изменение частотно-температурной стабильности термостатированного автогенератора при использовании микропроцессорной коррекции

Для конечных пользователей, предпочитающих выполнять коррекцию самостоятельно, производители предлагают кварцевые термостатированные автогенераторы с корректируемыми коэффициентами (CoefficientCorrected Crystal Oscillator — CCXO) [10]. В этом случае микропроцессор должен находиться на стороне конечного пользователя (рис. 8б), с его помощью управляющего частотой автогенератора по интерфейсу I²C.

Рис. 8. Функциональная схема, отображающая различия между:
а) MCXO;
б) CCXO

Перед поставкой каждый генератор тестируется в термокамере. Результатами испытаний являются значения температурных датчиков (ТД), датчиков тока (ДТ) и значения частотных ошибок δf(T), хранящиеся в электронно программируемом ПЗУ (EEPROM). Затем на основе этих данных вычисляются коэффициенты (A_i) корректирующего полинома частотно-температурной кривой 4-й степени δf(T) = A₄T⁴+A₃T³+A₂T²+A₁T+A₀, которые также записываются в ПЗУ. Доступ и к этим данным конечный пользователь получает по интерфейсу I²C.

Стабильность частоты при изменении температуры в 0,1 ppb может также быть достигнута и пассивным способом, за счет двойного термостатирования (DOCXO), представляющего собой комбинацию внутреннего и внешнего термостатирования. Во внутреннем термостате, где располагается резонатор, поддерживается температура с точностью в 0,05 °С, а во внешнем, где помещаются остальные компоненты автогенератора, точность поддержания температуры составляет около 1 °С.

DOCXO могут применяться в системах синхронизации вместо рубидиевых стандартов частоты при условии, что достигаемая ими стабильность частоты удовлетворяет заданным требованиям. Основные преимущества DOCXO перед рубидиевыми стандартами в лучших показателях фазовых шумов при меньшей стоимости и массогабаритных показателях. Однако рубидиевые стандарты обладают лучшими показателями старения (табл. 2). Поэтому иногда рубидиевые стандарты и OCXO используются совместно. Фазовые шумы при этом определяются кварцевым автогенератором, а стабильность частоты — рубидиевым стандартом.

Примечание. * В его состав входит VCXO.

Высокостабильные термостатированные автогенераторы могут использоваться и в качестве опорных генераторов в режиме удержания синхросигнала (holdover mode). Holdover — период времени, в течение которого система должна обеспечивать стабильную работу при отсутствии внешнего источника синхронизации. Такой режим может возникать при потере синхросигнала от внешнего источника, например, при движении по туннелям или перекрытии сигнала GPS или GLONASS более сильными сигналами помех. Для базовых станций мобильной связи такая ситуация является штатной, поскольку для них организуется периодическая синхронизация. Типовой показатель временного рассогласования для DOCXO в режиме удержания не превышает 8 мкс в интервале времени 8–24 ч. Для рубидиевых генераторов данный показатель несколько лучше: 2,5 мкс/сут или 8 мкс/нед (рис. 9).

Рис. 9. Значения временной ошибки в течение суток для DOCXO — черный цвет;
для DOCXO с дополнительной программной компенсацией — красный цвет;
для рубидиевого стандарта частоты — зеленый цвет

Временная ошибка DOCXO может быть уменьшена при совместном использовании приемника GPS-сигнала и DOCXO (рис. 10а). Работает такое устройство, называемое GPS-управляемый генератор (GPS-Disciplined OCXO — GPSDO), по принципу, аналогичному цифровой ФАПЧ (рис. 10б). Корректировка фазы, частотной ошибки, старения и стабильности частоты происходит с помощью микропроцессора.

Рис. 10. GPS-управляемый автогенератор производства Spectratime:
а) внешний вид [16];
б) упрощенная структура

OCXO широко применяются при создании стабильных источников СВЧ-сигналов в модульном исполнении. Термостатированный автогенератор в этом случае становится опорным источником колебаний. Диапазон выходных частот может составлять от сотен мегагерц до десятков гигагерц. Одной из главных проблем при производстве источников СВЧ-сигналов являются фазовые шумы опорного генератора, поскольку при повышении частоты их уровень неизбежно растет. Поэтому в качестве опорных генераторов могут использоваться OCXO со стандартными частотами в 5 и 10 МГц и последующим умножением частоты. Однако  ряд фирм выпускает OCXO в модульном исполнении (рис. 11) с частотами генерации 100–125 МГц и весьма низкими уровнями фазовых шумов, достижимых благодаря фильтрации высокодобротными кварцевыми фильтрами (табл. 3). Применение кварцевых генераторов с такими частотами при проектировании источников СВЧ-сигналов более целесообразно, поскольку фазовые шумы  на выходе оказываются лучше, чем при умножении частот 5 и 10 МГц.

Рис. 11. Внешний вид генераторов в модульном исполнении

Возможно также совместное использование опорных кварцевых генераторов с частотами генерации в 10 и 100 МГц. Один из примеров такого источника высокостабильных колебаний — гибридный модуль NFRM (рис. 12а). Более низкочастотный АГ в этом случае отвечает за уровень фазовых шумов в ближней зоне и стабильность частоты при изменении температуры. 100-МГц ОСХО обеспечивает низкий уровень фазовых шумов в дальней зоне (рис. 12б) и используется для получения выходной частоты в 1 ГГц при помощи десятикратного умножения.

Рис. 12.
а) Внешний вид гибридного модуля NFRM;
б) изменение уровня фазовых шумов гибридного модуля NFRM при повышении частоты генерации

Производством термостатированных автогенераторов занимаются компании из России, США, ряда европейских стран, а также Японии, Китая и Кореи, что облегчает подбор нужной модели для заданной области применения, будь то измерительные и радиолокационные системы или оборудование мобильной связи. В каждом случае компромиссом будет уровень потребляемой мощности, время разогрева и точность поддержания температуры термостата в рабочем диапазоне частот. Приведенные сведения носят справочный характер и охватывают наиболее популярные коммерчески доступные компании и модели.