Особенности применения кварцевых генераторов с высокой температурной стабильностью

Одним из ключевых параметров кварцевых генераторов является температурная стабильность частоты. Существует несколько разных методов её обеспечения:

На графиках рисунка 1 представлена зависимость частоты от температуры для разных видов кварцевых генераторов.

Далее будут рассмотрены именно термостатированные генераторы, причём только самые высокостабильные.

Для начала рассмотрим детально базовую конструкцию термостатированных генераторов. Как уже было сказано, в подобных генераторах все чувствительные к изменению температуры элементы находятся внутри термостата, в котором поддерживается постоянная температура. Схематически это можно представить следующим образом (см. рис. 2).

Температура внутри термостата устанавливается несколько выше (обычно на 5…15^оС) верхней рабочей температуры эксплуатации генератора. Кроме того, она настраивается таким образом, чтобы температурная зависимость резонатора находилась в районе какого­то из его экстремумов (точки LTP и UTP на рисунке 3).

Таким образом, обеспечивается минимальное изменение частоты кварцевого генератора от изменения температуры окружающей среды.

Необходимость поддержания высокой температуры термостатом приводит к следующим отличительным чертам термостатированных кварцевых генераторов:

Подобная базовая модель может обеспечить температурную стабильность от ±1×10^–8 до ±5×10^–10 в зависимости от конструкции. Существует несколько путей повышения температурной стабильности описанной конструкции:

Для получения эксклюзивно высокой температурной стабильности, например до ±1×10^–11, приходится в полной мере реализовывать все выше описанные меры улучшения температурной стабильности.

Как при эксплуатации, так и при измерении параметров генераторов с высокой температурной стабильностью могут возникать дополнительные факторы, влияющие на температурную стабильность, которые необходимо учитывать. Например, выходная частота кварцевых генераторов изменяется с течением времени. При этом крайне важно, сколько времени генератор находился во включённом состоянии. Так, для генераторов, включённых в течение нескольких недель, суточное изменение частоты будет составлять несколько единиц 10^–11, а для генераторов, включённых всего 1 день, эта величина уже будет несколько единиц 10^–10. Нетрудно заметить, что такой вклад будет заметен при измерении температурной стабильности, тем более когда она мала и сопоставима с таким уходом. Таким образом, при оценке стоит учитывать дрейф частоты генератора. Сделать это довольно просто: необходимо выдержать генератор при некоторой постоянной температуре и фиксировать его частоту. Далее по полученным результатам можно построить модель ухода частоты с течением времени (для недолгих промежутков времени вполне хватит простой линейной модели). Обычно при испытаниях генераторов с очень высокой температурной стабильностью приходится делать несколько циклов нагрева/охлаждения, чтобы убедиться, что генератор удовлетворяет нормам по температурной стабильности. Влияние дрейфа частоты отчётливо видно на результатах испытаний генератора ГК360­ТС производства АО «Морион» (см. рис. 4).

На рисунке 4 красным цветом показана исходная характеристика, снятая в процессе измерений. Видно, что она обладает линейным наклоном, связанным со старением генератора. Синим цветом показана эта же характеристика, но с вычтенным дрейфом.

Как уже было отмечено, если для повышения температурной стабильности используется дополнительная компенсация, то на итоговой характеристике могут присутствовать отдельные участки с сильной крутизной. Подобная ситуация несильно выражена для термостатированных кварцевых генераторов, но очень заметна в случае с рубидиевыми генераторами.

На рисунке 5 показаны две разные зависимости частоты от температуры. В первом случае (см. рис. 5a) при малом изменении температуры изменение частоты будет также пропорционально мало. Во втором случае (см. рис. 5б) при малом изменении температуры частота может измениться существенно больше, вплоть до значения температурной стабильности во всём интервале.

Также из­за компенсации или не­удачной конструкции можно наблюдать большие изменения частоты, многократно превышающие норму при быстром изменении температуры.

У термостатированных генераторов с высокой температурной стабильностью вполне возможно наблюдать изменение формы и величины зависимости частоты от температуры при изменении их ориентации (см. рис. 6). Происходит это вследствие конвекции внутри объёма генератора. У правильно разработанного генератора такая зависимость должна быть сведена к минимуму и учтена при испытаниях.

Говоря о термостатированных генераторах сверхвысокой стабильности, отдельно стоит акцентировать внимание на проблемах, возникающих при подстройке частоты генератора
с помощью управляющего напряжения. Наличие этой функции напрямую влияет на стабильность генератора. Когда речь идёт о столь малых величинах нестабильности, вклад наличия перестройки становится особо остро заметен. Генератор без такой опции будет обладать большей температурной и кратковременной стабильностью, чем с ней. Например, температурную стабильность генератора без перестройки можно довести до ±1×10^–11, тогда как с перестройкой эта величина уже будет ±2×10^–11. Соответственно, при необходимости лучшей температурной стабильности предпочтение должно быть отдано системам, в которых допустимо применение генератора без возможности перестройки частоты.

Перестройка может обеспечиваться либо аналоговой цепью, либо цифровой. Генераторы с цифровым управлением содержат внутри себя ЦАП управление частотой осуществляется подачей кода. Управление ЦАП возможно по протоколу I²C или SPI. При цифровом варианте управления деградация температурной стабильности минимальна, однако при изменении кода управления возможно ухудшение кратковременной нестабильности и фазовых шумов.

Ещё одним ограничением является минимальный фиксированный шаг перестройки, который зависит от разрядности ЦАП и для 20­битного ЦАП составляет от 5×10^–13 до 10×10^–13.

В генераторах с аналоговым управлением для приведения частоты генератора к номиналу на вход управления необходимо подать управляющее напряжение (см. рис. 7).

На земляном выводе генератора возникает падение напряжения, зависящее от протекающего тока нагревательных транзисторов термостата. При таком подключении оно попадает в цепь управления и ухудшает температурную и кратковременную стабильность частоты.

Для уменьшения этого влияния необходимо уменьшить сопротивление (длину) общей цепи протекающих токов питания генератора и цепи управления. Кардинальным способом является использование разных земель (см. рис. 8).

Но такой путь снижает унификацию генераторов и накладывает достаточно серьёзные ограничения на схемотехнику оборудования.

Ещё одним нюансом эксплуатации сверхвысокостабильных генераторов являются применяемые материалы, т.к. при соединении разнородных проводников, спаи которых находятся при разных температурах, в цепи управления возникает термоЭДС, которая будет влиять на температурную стабильность частоты.

Чем выше температурная стабильность, тем сильнее будут влиять все вышеописанные явления.

Генераторы с высокой температурной стабильностью могут успешно применяться во многих областях, где необходима очень стабильная частота. Обладая меньшими габаритами и потреблением, они могут посоревноваться с рубидиевыми генераторами в некоторых областях применения. Их зависимость частоты от изменения температуры гораздо более линейна и обладает меньшей крутизной. Таким образом, при небольших изменениях температуры окружающей среды она будет существенно выше, чем у рубидиевых генераторов. Единственно, в отличии от рубидиевых термостатированные кварцевые генераторы обладают большим старением, но в случае крайне малого изменения частоты при изменении температуры его влияние можно компенсировать.

В статье были рассмотрены особенности конструкции термостатированных генераторов и методы улучшения температурной стабильности, а также приведены некоторые нюансы использования подобных генераторов. 

Литература