4.1. Сравнительные характеристики

Для одноконтурных LC-генераторов наклон φ фазовой характеристики определяется добротностью резонансной системы Q и частотой автоколебаний ω₀:

где Т - постоянная времени контура.

Для автогенератора с ЛЗ ПАВ можно записать

где M = Lf₀/V - относительная акустическая длина ЛЗ ПАВ.

Тогда добротность резонансной системы автогенератора на ЛЗ ПАВ может быть определена следующим образом: Q = 2πM.

Из (4.2) видно, что наклон фазовой характеристики колебательной системы генератора на ЛЗ ПАВ определяется величиной М, максимальное значение которой ограничено технологическими возможностями выращивания пьезокристалла, скоростью ПАВ, а также достижимой рабочей частотой.

По значению реализуемой добротности автогенераторы с ЛЗ ПАВ занимают промежуточное положение между кварцевыми и LC-генераторами. Во многом аналогичные рассуждения можно провести для автогенераторов на резонаторах ПАВ.

Сравнительные характеристики автогенераторов на ПАВ, LC-резонаторах и их эквивалентах, а также кварцевых объемных резонаторах приводятся в табл. 4.1. [2].

Таблица 4.1

Из табл. 4.1 видно, что автогенераторы с устройствами на ПАВ незаменимы там, где требуется одновременно большая частотная перестройка и высокая стабильность частоты. При этом требуемая добротность резонансной системы обеспечивается соответствующим выбором акустической длины ЛЗ ПАВ.

Стабильность частоты в генераторах на ЛЗ ПАВ достигает (2-5)⋅10^-10 за 1 с [5]. Типовая односторонняя характеристика фазовых шумов генератора на ПАВ показана на рис. 4.1 [6].

Рис. 4.1. Зависимость подавления В относительно центральной от величины отстройки Q от основной частоты

Температурная стабильность таких автогенераторов достигает 10^-6 на 1°С (ST-срез кварца). Для генераторов на объемных кварцевых резонаторах температурная стабильность обычно несколько меньше [1-5].

Долговременная стабильность автогенераторов с устройствами на ПАВ также приближается к долговременной стабильности кварцевых генераторов. Достигнутая долговременная стабильность автогенераторов на ПАВ составляет 20⋅10^-6 за год (для кварцевых генераторов 6⋅10^-6 за год) и есть основания предполагать, что ее можно улучшить в 2-4 раза [7].

Нестабильность частоты автогенераторов на ПАВ от питающих напряжений составляет обычно (1 - 10)⋅10^-5 на вольт [8].

Диапазон рабочих частот автогенераторов с устройствами на ПАВ составляет 20 МГц - 1 ГГц при использовании в производстве методов оптической фотолитографии и расширяется до 2,5-3 ГГц применением электронно-лучевой и рентгеновской технологии [1-5]. Генераторы на объемных кварцевых резонаторах имеют на основном тоне предельную частоту около 50 МГц. Трудность увеличения этой частоты, связана с тем, что кварцевая пластина резонатора технологически не может быть выполнена более тонкой из-за хрупкости кварца. Использование механических обертонов кварцевых резонаторов позволяет повысить граничную частоту до 210-350 МГц. Дальнейшее увеличение частоты возможно лишь умножением частоты, причем для поднятия частоты колебаний кварцевого генератора выше 1 ГГц требуется два-три каскада умножения. Каскады умножения ухудшают чистоту спектра выходного сигнала и увеличивают его фазовые шумы. Это приводит к тому, что генераторы на ПАВ в гигагерцовом диапазоне частот имеют шумовые характеристики, уже сравнимые с характеристиками задающих генераторов с умножением частоты колебаний опорного кварцевого генератора [6, 10].

Устройства на ПАВ обычно изготовляют методами производства интегральных микросхем, и поэтому они легко могут быть объединены с микроинтегральными усилителями. При этом автогенераторы на ДАВ могут быть выполнены в виде единой интегральной микросхемы в рамках одного технологического процесса. В кварцевых генераторах последнее сделать трудно, хотя успехи в этой области уже есть [119].

В настоящее время уже созданы конструкции кварцевых автогенераторов, пассивная часть схемы которых создана методами напыления в вакууме непосредственно на поверхности кварцевого резонатора. Однако это ни в коей мере не снимает проблему крепления кристалла к корпусу. Ведь в отличие от резонатора или другого устройства на ПАВ кварцевый резонатор нельзя, например, приклеить к корпусу прибора одной из его поверхностей. Это позволяют сделать лишь устройства на ПАВ, конструкции которых принципиально являются планарными, что позволяет использовать нерабочую поверхность кристалла устройства на ПАВ для механического крепления к корпусу прибора или для создания на ней совершенно независимо работающей интегральной микросхемы.

Указанные преимущества в технологии определяют малые габариты и массу генераторов с устройствами на ПАВ, их повышенную надежность, дешевизну при массовом производстве.

Достаточно большие толщины кристаллов устройств на ПАВ, а также возможность хорошего отвода теплоты на корпус прибора существенно поднимают уровень предельно допустимой мощности рассеивания устройств на ЛАВ, что в конечном счете ведет к увеличению выходной мощности автогенераторов, созданных на их основе.

Так как акустическая и электрическая части устройства на ПАВ могут выполняться в виде единой интегральной микросхемы, расположенной на общей пьезоэлектрической подложке, то нет необходимости в применении сложных креплений устройств на ЛАВ, таких, какие применяются для кварцевых объемных резонаторов. Кроме того, рабочая частота устройства на ПАВ определяется лишь топологией его преобразователей и не связана с толщиной используемого пьезокристалла, которая может быть при этом достаточно большой (например, 1 мм). Все это определяет повышенную механическую и электрическую прочность генераторов с устройствами на ЛАВ, их виброустойчивость.

Разнообразные устройства на ЛАВ могут работать в исключительно тяжелых условиях внешних механических нагрузок. Например, они выдерживают постоянные механические ускорения вплоть до 10000 g_n, могут выдерживать до 3000 g_n при ударных нагрузках и 0,6 g²/Гц случайных шумовых вибраций [8]. Экспериментальные исследования показывают, что у обычного кварцевого генератора, работающего на пятой механической гармонике (f₀ = 97 МГц), при наличии (случайных вибраций шумы резко возрастают и существенно превышают уровень шумов генератора на ПАВ, работающего на той же частоте в тех же условиях. Шумы генераторов на ПАВ при наличии вибрации увеличиваются незначительно [10].

Как указывалось ранее, линии задержки и двухвходовые резонаторы ПАВ включают в цепь обратной связи автогенератора. Так как эти устройства на ПАВ являются принципиально четырехполюсниками, то они могут быть использованы лишь в схемах автогенераторов с трехполюсными активными элементами, например транзисторами. Использование же двухвходовых резонаторов и особенно линий задержки в диодных автогенераторах практически очень сложно. Одновходовые резонаторы могут быть использованы как в диодных, так и в транзисторных схемах автогенераторов. В этом отношении они во многом аналогичны объемным кварцевым резонаторам.

При использовании линий задержки ПАВ в автогенераторах возникает проблема компенсаций достаточно больших потерь. Обычно они составляют примерно 20 дБ, хотя у резонаторов ПАВ потери могут быть 1-5 дБ. Это приводит к тому, что в схемах с двухвходовыми резонаторами достаточно иметь однотранзисторный усилитель, в то время как в схемах на ЛЗ ПАВ такой усилитель обычно содержит не менее двух транзисторов. Последнее приводит к усложнению схемы автогенератора, т. е. в конечном счете ведет к увеличению ее стоимости и снижению стабильности частоты колебаний из-за присутствия большого числа нестабильных элементов.

Применение одновходовых резонаторов в схемах генераторов ограничено тем, что их входная емкость (в основном статическая емкость преобразователя резонатора ПАВ) относительно велика. В результате на частотах, сильно отличающихся от резонансных, сопротивление одновходового резонатора ПАВ существенно меньше сопротивления LC-резонатора с той же добротностью и той же резонансной частотой. При этом создаются благоприятные условия для возникновения паразитных автоколебаний. Существенно проявляется при этом и относительная близость частот последовательного и параллельного резонансов. Разность между этими частотами (как указывалось выше) составляет 0,1-0,2%. Это также ведет к возможности возникновения паразитных колебаний. Для борьбы с отмеченными явлениями часто применяют подключение ко входу одновходового резонатора индуктивного элемента. При этом частоты последовательного и параллельного резонансов удается разнести до нескольких процентов [46].

В автогенераторах на ЛЗ ПАВ также иногда прибегают к подключению подобного рода индуктивностей ко входу и выходу ЛЗ. За счет этого увеличивается коэффициент передачи линии задержки. Однако применение индуктивных элементов в схемах автогенераторов с точки зрения технологии интегральных микросхем крайне нежелательно. Применение дополнительных индуктивных элементов также снижает и стабильность частоты колебаний.

У кварцевых резонаторов относительное расстояние между частотами последовательного и параллельного резонансов того же порядка, что и у одновходовых резонаторов ПАВ, т. е. около 0,1%. Однако добротность кварцевых резонаторов обычно на один-два порядка выше добротности резонатора ПАВ. Это приводит к тому, что обобщенная расстройка между резонансными частотами у кварцевого резонатора составляет 10-100, в то время как у резонатора ПАВ - лишь единицы. Поэтому далеко не всегда возможна простая замена кварцевого резонатора в какой-либо практической схеме автогенератора на резонатор ПАВ.