Устройство телекоммуникационных систем. Кварцевые генераторы

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

“ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”

Инженерно-технологическая академия

А. Н. ЗИКИЙ

А. В. ПОМАЗАНОВ

УСТРОЙСТВА 

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ.

КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2018

УДК 621.396(075.8)
ББК 32.84я73

З-601

Печатается по решению кафедры информационной безопасности те
лекоммуникационных систем Института компьютерных технологий и 
информационной безопасности Южного федерального университета 

(протокол № 11 от 31 января 2018 г.)

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор Южного федерального 

университета К. Е. Румянцев

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, 

начальник лаборатории АО «ТНИИС» С. В. Крикотин

Зикий, А. Н.

З-601      Устройства телекоммуникационных систем. Кварцевые генерато
ры : учебное пособие / А. Н. Зикий, А. В. Помазанов ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство 
Южного федерального университета, 2018. – 129 с.

ISBN 978-5-9275-2915-5
Изложены принципы построения и основы проектирования кварцевых гене
раторов. Рассматриваются вопросы стабильности кварцевых генераторов. Приводятся многочисленные результаты разработки и экспериментального исследования кварцевых автогенераторов различных типов.

Предназначено для студентов старших курсов, обучающихся по специально
стям «Защищенные системы связи» и «Информационная безопасность телекоммуникационных систем» на кафедре ИБТКС. Учебное пособие может быть 
полезным для магистрантов, а также при курсовом и дипломном проектировании.

УДК 621.396(075.8)

ББК 32.84я73

ISBN 978-5-9275-2915-5

© Южный федеральный университет, 2018
© Зикий А. Н., Помазанов А. В., 2018
© Оформление. Макет. Издательство

Южного федерального университета, 2018

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов, изучаю
щих дисциплины «Устройства генерации и формирования радиосигналов», 
«Устройства телекоммуникационных систем», «Радиоприемные и радиопередающие устройства». Оно может быть полезно при курсовом и дипломном проектировании по специальности 10.05.02 – «Информационная безопасность телекоммуникационных систем».

Кварцевые генераторы нашли самое широкое применение в телеком
муникационных системах, при реализации высокостабильных генераторов 
опорной частоты, генераторов тактовых частот устройств цифровой обработки информации, цифровых устройств измерения частотных и временных параметров сигналов, задающих генераторов радиопередающих 
устройств, генераторов систем синхронизации.

Несмотря на то что по теории проектирования и практическому при
менению кварцевых генераторов издано большое число учебной и технической литературы, а также написано множество статей в периодических изданиях, авторы сочли необходимым обобщить имеющийся опыт в разработке и исследовании кварцевых генераторов в различных диапазонах частот генерации.

В учебном пособии использованы разработки авторов кварцевых ге
нераторов, результаты их экспериментальных исследований.

В первом разделе учебного пособия рассмотрены варианты построе
ния схем кварцевых генераторов, методики их расчета.

Во втором разделе приведены примеры выполнения кварцевых гене
раторов на микросхемах, в третьем разделе – на транзисторах.

В четвертом разделе рассматривается пример выполнения индивиду
ального задания по проектированию кварцевых генераторов.

В пятом разделе кратко, в табличном виде, изложены справочные 

сведения о серийных кварцевых генераторах отечественного и зарубежного 
производства. 

Шестой раздел представляет собой методические указания по выпол
нению лабораторной работы. 

В приложениях помещены дополнительные справочные материалы 

по кварцевым генераторам, которые не вошли в основные разделы.

1. МЕТОДИКА РАСЧЕТА АВТОГЕНЕРАТОРОВ С КВАРЦЕМ 

В ДИАПАЗОНЕ МЕТРОВЫХ ВОЛН

1.1. Исходные данные для расчета

В диапазоне метровых волн кварцевые резонаторы (КР) возбуждают 

на гармониках. Существует большое количество схем автогенераторов
(АГ). Здесь приводятся расчетные соотношения и численные примеры 
простейших однокаскадных  и трехкаскадного автогенераторов, которые 
обеспечивают надежную работу на частотах 30...100 МГц, просты в 
наладке и эксплуатации. Более сложные схемы с нейтрализацией или 
компенсацией 
статической 
емкости 
кварцевого 
резонатора 
не 

рассматриваются. Для удобства сравнения и облегчения выбора схемы, 
удовлетворяющей заданным требованиям, в приводимых далее примерах 
расчета приняты одинаковыми активные элементы, кварцевые резонаторы, 
частота колебаний и запас по самовозбуждению (или коэффициент γ1(θ)). 

Расчеты проведены при частоте ƒк = 60 МГц, что соответствует 

возбуждению КР на третьей механической гармонике.

Параметры КР: rк = 50 Ом; С0 = 5 пФ; Qкв = 105; Pквд = 2 мВт. 

В соответствии с (13.6) [1] τ0 = 2π·60·106×5·10–12·50 ≈ 0,1.

В качестве активного элемента выбран транзистор типа ГТ311. Его 

параметры: ƒгр = 500 МГц; h21Э = 50; r'б = 60 Ом; Ска = Cкп = 1 пФ; 
IK, и max = 50 мА; UКЭmax = 12 В; U' = 0,3 В; Sкр = 0,05 А/В; Рmax = 150 мВт при 
tср = +25º С.

В соответствии с рекомендациями §13.1 [1] для всех схем выбраны: 

UK0 = 5 В (13.15) [1]; коэффициент γ1(θ) = 0,2 (13.20) [1]. Такому значению 
γ1(θ) соответствует угол отсечки θ = 60º С, при этом cos θ = 0,5; α0(θ) = 0,22;
α1(θ) = 0,39; γ0(θ) = 0,11; γ0(π–θ) = 0,61. Перейдем к расчету конкретных 
схем автогенераторов.

1.2. Автогенератор с кварцем между коллектором и базой

В основу синтеза параметров колебательной системы АГ на рис.1.1 

положены уравнения стационарного режима, полученные из (13.10) [1]:

Rкв (1 + α) = S1X1X2(1 + Ω2

s)–1;
(1.1)

Xкв = –(X1 + X2) – ΩsRкв(1+α).
(1.2)

1.2. Автогенератор с кварцем между коллектором и базой 

5

Здесь в соответствии с рис. 1.1 обозначено:

X1 = –1/ωкС1э; Х2 = –1/ωкС2; С1э = C1–1/ω2

кL1 = С1[1–(ω2

к C1L1)–1]
(1.3)

Решая совместно (1.1) и (1.2), можно определить емкость С1э и 

частоту колебаний (или поправку ν):

С1э = ωк

–1{[κS1(1 + 2τ0ΩS)rK

–1(1 + α)–1(1 + Ω2

S)–1]0,5–ωкС0}
(1.4)

ν = [X1(1 + κ) + ΩSrK][2τ0X1(1 + κ)+(τ0ΩS – 1)rK]–1
(1.5)

где κ = С1э/С2
(1.6)

С2

С1 

L1 

+Uк

С3 

Сэ

Rэ

Rб

R1
R2

КР

Ссв 

Rн

Вых

Рис.1.1. Схема автогенератора с кварцем между коллектором и базой

Емкость С2 можно найти, исходя из условия (13.1) [1] с учетом 

(13.22) [1].

Ток через кварц при выполнении (13.11) [1]:

Iкв = UВ/Х2.
(1.7)

Подставляя (1.7) и (13.24) [1] в (13.22) [1], получаем 

С2 = C1Э/κ = C1Э·2PквS(l – cosθ)2(1 + α)×[i2

KMγ1(θ)]–1.
(1.8)

Для расчета емкости С1, при известном значении C1Э требуется вы
брать индуктивность L1 при условии (см. § 13.3) [1]

1 < ω2

KL1C1 < n2(n – 2)2,
(1.9)

где п, п – 2 – номера выбранной для возбуждения и ближайшей низшей 
гармоники.

1. Методика расчета автогенераторов с кварцем в диапазоне метровых волн

6

При расчете режима АГ мощности Ркв и P1 удовлетворяют соотноше
ниям (13.32) [1] и (13.33) [1] при Рr = 0 (колебательная система АГ по схеме рис. 1.1 не содержит активных сопротивлений).

Амплитуду напряжения UKЭ удобно находить из (13.30) [1]. Из выра
жения, связывающего сопротивление ZK (13.28) [1] с параметрами колебательной системы

Z = –jX1[RKB(1 + α) + j(X2 + XKB)]×[RKB(1 + α) + j(X1 + X2 + XKB)]–1,
(1.10)

учитывая (1.1) и (1.2), можно найти фазу φк = arctg(S1X2 + Ωs), 

соs φк = [1 + (S1X2 + Ωs)2]–0,5.
(1.11)

Пример 1.1. Расчет гармоникового автогенератора с кварцем между 
коллектором и базой.

Исходные данные: мощность в нагрузке Pн = 0,1 мВт; ƒк = 60 МГц; 

транзистор ГТ311 (параметры КР и транзистора см. в § 1.1) [1]. Выбраны 
ток 
iКМ = 10 мА 
(13.15) 
[1] 
и 
коэффициент 
α = 0,1 
(13.35) 
[1], 

РКВ = 1 мВт.

Расчет проводится в следующей последовательности.
1. Мощности, рассеиваемая на кварце (13.33) [1] и отдаваемая тран
зистором (13.32) [1] (Рr = 0):

PКВ = 0,1/0,1 = 1 мВт; P1 = 1,1 мВт.
Поскольку PКВ = 1 мВт меньше РКВД = 2 мВт, условие (13.1) [1] вы
полняется и можно продолжать расчет.

2. Аппроксимированные параметры транзистора (13.26) [1]: 
Sп = 0,15 А/В; r = 333 Ом; S = 0,127 А/В; ƒs = 65 МГц.
3. Нормированная частота колебаний (13.14) [1] Ωs = 60/65 = 0,92.
4. Рассчитываем параметры колебательной системы. Емкости 

С1Э (1.4), С2 (1.8):

С1Э = (2π·6·107)–1 {0,29·0,0254(1 + 0,2·0,92)·50–1·1,1–1×
× (1 + 0,922)]0,5–2π·6·107·5·10–12} = 20,7 пФ;
C2 = C1Э/κ = 20,7/0,29 = 71 пФ.
Сопротивления (1.3) X1 = –128,5 Ом; X2 = –37,2 Ом, где из (13.13) [1] 
S1 = 0,127·0,2 = 0,0254 А/В; а из (1.8)
κ = i2

KMγ1(θ) [2PКВS(1–cos θ)2(1 + α)]–1 = 

= 0,012·0,2·[2·10–3·0,127·0,52·1,1]–1 ≈ 0,29.
Индуктивность L1 и емкость С1 определяем из условия (1.9), 

1.2. Автогенератор с кварцем между коллектором и базой 

7

принимая ω2

KL1C1 = 2. Тогда из (1.3) C1 = 20,7(l  1/2)–1 = 41,4 пФ. 

При известном С1 определяем L1: 
Ll = (ω2

KL1C1)/ω2

KC1 = 2(2π·60 × 106)–2(41,4·10–12)–1 = 0,34 мкГ.

5. Поправка к частоте колебаний ν (1.5): 

ν = [–128,5·1,29+0,92·50] [–0,2·128,5·1,29 + (0,092–1)·50]–1 = 2,9.

Относительная разница между частотами f и fк определяется по (13.7)

[1]. В тех случаях, когда она мала, можно пользоваться приближенной 
формулой

Δf/fК = (f – fК)/fК ≈ ν/2QКВ = 2,9/2·105 = 1,45·10–5.

Если предъявляются жесткие требования к точности настройки на 

заданную частоту (например, 10–6), надо выбрать КР, для которого
fК = f – Δf. Для точной настройки требуется хотя бы одну из емкостей 
выполнить переменной, чтобы обеспечить ее вариации на ±30% от 
выбранного значения.

6. Находим режимные параметры АЭ. Гармонические составляющие 

тока коллектора (13.25)[1] и амплитуда напряжения на базе (13.24): 
IК = 2,2 мА, IК1 = = 3,9 мА, UB = 0,21 В.

Амплитуда напряжения на коллекторе (13.30) [1]
UКЭ = 2P1/IК1 cos φк = 2·1,1·10–3/0,0039·0,998 = 0,56 В,
где cos φк = 0,998 рассчитан по формуле (1.11).
Мощность, подведенная к коллекторной цепи и рассеиваемая (13.16)

[1]:

Р0 = 11 мВт; Р = 9,9 мВт, Р < Ррас.
Постоянная составляющая тока базы и смещение на базе (13.27) [1]:
IБ = IК/h21Э = 0,044 мА,
UВ0 = 0,3 + 0,21[0,11(1 + 0,922)–0,5 – 0,61] = 0,24 В.
7. В соответствии с рекомендацией § 13.2 [1] принимаем RЭ = 300 Ом. 

Сопротивление Rб
определим из соотношения Rб
= (10…20) X2
= 

= 372…744 Ом. Возьмем Rб = 500 Ом.

8. Напряжения источников питания цепей коллектора UK и базы Uвн:

UK = UK0 + (IК + IБ)RЭ = 5,7 В,

Uвн = Uв0 + (IК + IБ)RЭ + IБRб = 0,92 В.

9. Принимаем ток через делитель Iд = 5·IБ = 0,22 мА. Сопротивления 

делителя в цепи питания:

R1 = (UK – Uвн) Iд = 21,8 кОм,
R2 = Uвн/(Iд – IБ) = 5,1 кОм.

1. Методика расчета автогенераторов с кварцем в диапазоне метровых волн

8

1.3. Автогенератор с кварцем в цепи обратной связи 

Расчет колебательной системы АГ (рис. 1.2) сводится к определению 

четырех параметров контура С1, С2, С3, L3 и сопротивления делителя r в 
цепи обратной связи. При выводе расчетных соотношений учтено условие 
(13.23) [1], когда согласно (13.4) [1] и (13.5) [1]:

RКВ ≈ rК, XКВ ≈ –τ0rК.
(1.12)

L3

+Uк

Rэ

Rб

R1
R2

КР

Ссв 

Rн

Сэ
Rос

С1 
С3 

С2 

Сб

Сб

R3

Рис. 1.2. Схема автогенератора с кварцем в цепи обратной связи

Исходными являются уравнения стационарного режима, полученные 

из (13.10) [1] с учетом (1.12):

(r + rК)(1 + ξ2)(1 + Ω2

S) = κRК[S1r(1 – ΩSξ) – κ(1 + Ω2

S)];
(1.13)

[X2(l + κ) + XКВ] (1 + ξ2)(1 + Ω2

S) = κRК[–S1r(ξ + ΩS) + κξ(1 + Ω2

S)],    (1.14)

где κ = –X2/(X2 + X3) – коэффициент трансформации;
(1.15)

Х3 = ХL + ХC3 – сопротивление плеча контура между коллектором

и базой
(1.16)

XL = ωКL3; Х2 = –1/ωКС2; ХС3 = –1/ωКС3 – сопротивления элементов 

контура на частоте ƒK.
(1.17)

1.3. Автогенератор с кварцем в цепи обратной связи 

9

Еще одно расчетное соотношение вытекает из условия (13.1) [1]. Оно 

получено из (13.22) [1] с учетом того, что при выполнении (13.11) [1] ток 
через кварц

IКВ = Ir = UB/r.
(1.18)

Подставляя (1.18) в (13.22) [1], получаем:

r = UB(rK/2PKВ)0,5.
(1.19)

Уравнений (1.13) [1], (1.14) и (1.19) недостаточно для определения 

всех 
параметров 
АГ 
и 
требуется 
использовать 
дополнительные 

соотношения. Одно из них можно получить, составив выражение для 
комплексного коэффициента обратной связи:

k = κr{r + rК + j[X2(1 + κ) + XКВ]}–1.
(1.20)

Решим (1.20) относительно Х2:

Х2 = –(1+κ)–1{XКВ + [κ2r2 – k2(r + rк)2]0,5k–1},
(1.21)

где k = UВ/UKЭ – модуль коэффициента обратной связи,
(1.22)

который найдем, подставив амплитуды UB (13.24) [1], UKЭ (13.30) [1], 
причем в последнем случае

cos φK = [S1r – κ(1 + ξΩS)]{(1 + ξ2)[(S1r – κ)2 + (κΩS)2]}–0,5.
(1.23)

Мощность Р1 находим из (13.30) [1], а Рr с учетом (1.18):

Рr = 0,5I2

квr = Рквr/rк.
(1.24)

Ради удобства расчета мощности РК используем к.п.д.

ηк = PН(РН + РК)–1,

откуда следует

РК = PН(1 – ηк)ηк

–1.
(1.25)

Рекомендуется выбирать

ηк ≤ 0,5.
(1.26)

Для расчета Х2 (1.21) помимо r, rК, XКВ и 
k
требуется 
определить 

коэффициент κ. Согласно (1.21) значения Х2 будут вещественными, если 
выбрать κ из условия

κ = Mk (1 + rК/r).
(1.27)

Рекомендуется выбирать

М = 1,02...2.
(1.28)