Высокостабильные малошумящие кварцевые генераторы

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.

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.

Основные параметры генераторов на основе РТ приведены в таблице 2.

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.

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 ±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.

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 (36,1D27,2D15 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.

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.

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.

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.

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.

Основные параметры высокочастотных прецизионных КГ приведены в таблице 6.

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.

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.

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.

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

Заключение

Сейчас АО «МОРИОН» уверенно входит в первую пятерку (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».