Добрый день,
давно меня мучает вопрос...

Все мы знаем, что Q-factor у кристалла - десятки тысяч, а у LC цепочки - максимум 300-500, и говорят из-за этого частота колебаний не может быть стабильна.
С другой стороны, если LC цепочка колеблется сама по себе - я не вижу, почему у неё должна случайным образом частота колебаний меняться...

В связи с этим вопрос - делают ли вообще на LC цепочках высокостабильные генераторы? (с кратко/долговременной стабильностью на уровне и лучше кварца - 20ppm и менее)
Какие там есть способы улучшения стабильности, кроме очевидных (конденсатор с минимальными потерями, воздушная катушка из литцендрата, стабильная температура +-0.01С и напряжение +-0.001V...)?
Может ли помочь использование нескольких LC цепочек, чтобы получить больше комбинированный Q-factor?

Вас неправильно проинформировали. Стабильность генератора зависит от стабильности физических параметров частотозадающего звена. А не от добротности. Добротность же звена для автогенератора - это по сути ширина полосы частот(ничто не идеально) где выполняется баланс фаз(условие самовозбуждения) и чем она ниже - тем полоса шире, следовательно дальше гуляет частота автогенерации. Но для LC схем это на порядок(а то и порядки) меньшая величина чем нестабильность L и C.

Высокая добротность кварцевых резонаторов следствие малых потерь на рассеивание в пьезокристалле - энергия циркулирует но не рассеивается... Но добротность контура != (<=) Q системы - кварц легко закоротить низкоомным резистором (в том числе и сопротивлением p-n перехода) - потому далеко не все схемы используют эту особенность кварцев.

Почему тогда LC генераторы не используют широко для задающих генераторов?
У них ведь по идее не должно быть проблемы старения, как у кварцев...

Есть ли другие подходы к построению высокостабильных генераторов (без кварцей, без SAW, без MEMS)?

Да, проблемы старения там практически нет, но есть проблема массового производства с заданным разбросом параметров... Сравните их на LC компоненты и кварцы...


Длинные линии обладают сравнимыми параметрами(и Q кстати тоже) - это не обязательно коаксиал, можно 2-х проводные - если сделать печатными то для сотен мегагерц размеры будут не особо велики, но не для десятков мегагерц.

P.S.: Чтобы быть уж совсем точным - можно и на LC схемах сделать очень стабильный и маленький генератор - нужно просто разработать LC схему (в том числе полностью интегральную - полупроводниковые C и гиратор) и схему термокомпенсации к ней(а к ней ее схему термокомпенсации т.д. ). Но это незаурядная работа для небольшого коллектива физиков - видимо себестоимость себя не оправдывает.

Поскольку современные дешевые кварцы делают из синтезированного кварца (быстро выращенного) то проблема старения у них существует. В пределах 2-4ppm за год, многих это устраивает. Однако если возмете дешевые передатчики, с этими кварцами, выпущенные 10-20 лет назад то эта проблема, поскольку у всех уход частоты значительный.

Почему это ...LC цепочки - максимум 300-500. Может быть и более 1000, (но катушке Q кварца не достичь), технологические трудности не позволяют массово выпускать такие катушки, контура, получаются дороже кварцевых. LC генераторы используют широко для задающих генераторов, просто вы не знаете этого.

На LC цепочках высокостабильные генераторы делали ранее, вспомните катушки возженные в керамику. На сегодня это не технологично.
Да и другие параметры генератора востребованы на сегодня. Поскольку точность и стабильность можно обеспечить за счет ситнезаторов.
А вот получить низкий уровень фазовых шумов на сегодня задача более актуальная, поскольку стандарты эми это требуют.

Уход от катушек в генераторах на сегодня возможен полностью, например ознакомтесь с микросхемой LTC6946, параметры впечатляют.
Но без внешней кварцованной частоты не обойтись.

Я правильно понимаю, что частота собственных свободных колебаний (т.е. зарядили один раз и отпустили, пока не затухнет) получается стабильнее, чем частота автогенерации (когда "накачка" может качать чуть-чуть другую частоту)?

неверно, поскольку энергия рассеивается (затухает) в контуре и изменяется тепловой режим. Возмите и рассмотрите кварцевый генератор. Чтобы ему " выбежать на нужную стабильность по частоте требуется определенный период времени, несколько милисекунд и более. А термостатированные генераторы с более высокими параметрами стабильности еще более требуют времени "выбега".

Q-factor доходит и до миллиона на оптимальных частотах ( 4МГц? ) у LC цепочки типично сотни. Вожженое серебро на керамике
термокомпенсированные конденсаторы дык божеш мой Р105, Северок это все станции без кварцев. Шикарно жили немцы, американцы. У них была кварцованная аппаратура. Р126 вплоть до 70х обходились без кварцев. Здесь торгуют всего 170$.
http://www.armyradio.com/arsc/customer/pro...?productid=1553
там был уникальный температурный диапазон под -80*С под конец коротился аккумулятор и так самообогревалась
Самолетная станция http://www.rkk-museum.ru/vitr_all/exhibits/128.shtml
А тут амеры пижены так и воевали с кварцевыми боксами времен высадки
http://www.armyradio.com/arsc/customer/pro...=108&page=1
http://www.armyradio.com/arsc/customer/pro...=108&page=1
Еще http://www.armyradio.com/arsc/customer/pro...t=95&page=1

нет... не правильно... Может Вы скопировали не тот мой абзац? Я вообще не видел практических схем на основании собственных колебаний в резонаторе.(Не факт, что таких нет).
Обычно же это та или иная схема с осциллятором в ОС, передаточная функция которой сводится к определенному семейству дифуров (забыл как там они, а лезть в WiKi - нечестно) и решением для которых является гармоническая функция. У TI в примерах для DSP даже есть такой прикол - генерация синуса IIR фильтром. Но так, глядя на дифур сходу то и не поймешь какую рояль играет декремент затухания осциллятора в реальной схеме. Лучше воспользоваться "техникумовским" подходом - усилитель генерирует когда соблюдается баланс фаз(180 грд) и баланс амплитуд. Представьте теперь ФЧХ одиночного колебательного контура(простейшего гармонического осциллятора). Баланс фаз выполняется в одной абстрактной точке - если параллельный к.к. включен между электродами со сдвигом 180 грд - то нам нужна точка резонанса. На практике эта точка размазана влиянием внешних факторов(шумы, наводки, тепловые флуктуации). Чем выше добротность тем уже (график круче нарастает) частотный диапазон с одинаковым фазовым разбалансом. Потому автогенератор с менее "добротным"
осциллятором будет гулять в более широком частотном диапазоне.
Но еще раз - для простых практических схем на LC термонестабильность элементов играет на порядки более существенную роль чем низкая добротность колебательной системы...

Если же Вы о закорачивании кваца сопротивлением - то да...

В моём-то случае схема термостатированная, и я хочу добиться лучшей чем у кварца кратковременной и долговременной стабильности.
Насчет добротности и вопрос - поможет ли использование нескольких колебательных контуров (возможно с небольшой разбежкой частоты, чтобы получить максимальную "крутизну" пика) получить меньшее "гуляние" частоты?



Я вообще про такое не слышал :-)

О, у Вас рядом собственная гелиевая криостанция? Гляньте параметры эквивалентной схемы замещения. Это по добротности, а значит кратковременной нестабильности. В какой-то мере фазовый шум. Гляньте формулу Лисона (Leeson), например http://www.ieee.li/pdf/essay/phase_noise_basics.pdf на 7 стр. в красной рамочке внизу.
Индуктивность кварца и последовательное сопротивление. Попробуйте прикинуть на катушке то же. На сверпроводниковой катушке в криотермостате точно получится переплюнуть кварц. Одновременное подключение контуров уменьшает фазовый шум, но при одинаковых остальных условиях кварц не переиграют.
Если бы хоть чуть-чуть озвучили цель. Или это LC контур для MP3-плейера? Ух ты. BTW Зарлинковый вейкаповый приемник 2.45ГГц (основной канал там 402-405 или 433) из ZL70102 потребляет пару сотен наноампер в штатном режиме. Меньше любого микроконтроллера. Жалко, что достать тяжеловато, даже полный даташит. Колитесь что Вы задумали. Смайлик.

Если нужно получить реально высокую добротность от (некварцевой) колебательной системы, то хороший вариант - спиральные и/или коаксиальные резонаторы (с воздушным диэлектриком, серебрением стенок и штыря...), со слабой связью с внешним миром. Конечно, размеры там немаленькие, зависят от нужной добротности и частоты. Приемлемые размеры и вес возможны на частотах выше нескольких сотен мегагерц, но все равно будет громоздко.

В ранне-советские времена еще делали высокостабильные генераторы на камертонных резонаторах...

Метра полтора длинною и диаметром 0.2-0.3м. Хорошая добротность, пара тысяч.

С проектом плеера это (к счастью) никак не связано.
Нужно для точного времени в автономном режиме (когда нет доступа к ГЛОНАСС например или каким-либо другим сигналам точного времени).
Максимальную точность кварца я знаю (SC-cut, двойная печка...), и хочу большего.

Двойная печка / охлаждение до -15С элементами Пельтье - в ограничения по габаритам и потреблению влазит.
Жидкий гелий конечно нет :-)



Высокая (но стабильная) частота не проблема, даже 2.5Ггц можно поделить, и синтезировать ровно столько сколько нужно (10-25Мгц).

Тогда рубидиевый генератор, обычно 10Мгц, есть недорогие.
http://www.ebay.com/itm/FE-5680A-Rubidium-...634853038831480

Тут не до обсуждения надуманных мелочей вроде термостата на Пельтье. Тут порядок величин нужно чувствовать. Кварц дает стабильность приблизительно в 500-1000 раз лучше, чем колебательный контур.
В наше время искать замену кварцу, да еще не из-за стоимости, а в стремлении улучшить стабильность... чудно!
Впрочем, а нужна ли стабильность частоты , как таковая? Подозреваются очередные часы с точностью в 1 наносекунду и кукушкой на миллион мелодий...

Да, нужна именно долговременная и кратковременная стабильность.
Кварц от старости может уехать на 20ppm за 10 лет, про температуру, вибрацию промолчим.
Колебательный контур значит по вашему может обеспечить частоту только с точностью 20'000ppm = +-2%? Мне в это сложно поверить.

Даже на интегральных RC генераторах (где никакого Q в принципе нет) делают 0.1% точность без стабилизации напряжения и температуры.

LC гетеродины старых приемников после получасового прогрева спокойно дают порядка 10Гц ухода за несколько часов. Но первичный выбег составляет 500-1000Гц за 15 мин после включения. На вожженной в керамику металлизации немалого диаметра. С гирляндой разного ТКЕ конденсаторов. Ну и долговременная стабильность конечно же хуже кварца. Если нужна долговременная стабильность - либо брать готовые состаренные у производителя кварцевые OCXO, либо, если есть выход к открытому небу - цеплять за pps GPS. Тогда получите и кратковременную и долговременную нестабильности порядка минус восьмой на простейшей не м/к схеме. С м/к народ выходит на минус десятую. Дело в том, что не всегда нужен доступ к спутникам. У меня проработал OCXO в схеме с GPS, который видел спутники полтора года назад. На прошлой неделе померяли - 10МГц отклонение 0.2Гц. В микроконтроллерном есть режим холдовера - когда при исчезновении спутника м/к на ЦАП выдает последнее достоверное значение.

Так это же не вопрос свободного выбора веры. Намотайте катушку колючей проволокой и подождите 20 лет. Не на 2 %. но на 0.2 уйдет точно.
А вот RC-генератор 0.1% - тут уж мне трудно в это поверить Скорее всего, это точность начальной установки, но не дрейф во времени.
Если кварц за 2 доллара слишком дорого, то подберите керамику, вожгите туда серебро, помучайтесь с ТКЕ конденсатора, термостатируйте и получите в 100 раз дороже, больше и хуже кварца. В чем смысл затянувшегося разговора? Вы сомневаетесь в очевидных вопросах?
Есть же книги, даже в гугле можно найти что-то полезное.

То ли Максим, то ли их альтер эго Даллас делал раньше. Сейчас не знаю.
Силабсы что-то делают Quartz-free, MEMS-free, and PLL-free all-silicon oscillator - не сильно раскрывая внутренности http://www.silabs.com/Support%20Documents/...Docs/Si500D.pdf , например. Единственная мысль зачем (вспоминается анекдот про Вовочку, отца, учительницу, потолок и бревно) при цене на Диджики при нулевом наличии за 8 баксов - возможно виброустойчивы.

Это улучшенные RC генераторы выполненные в силиконе; коих полно, внутри таких процев как пики, атмелы, армы. Силабсы сделали на этом чип, но от нуля, и сразу неинтересно. Как раз RC-генератор 0.1% (100ppm) и есть.

+-0.025% все-таки в диапазоне 0-85С, вибрации, удары, изменение питания и 10лет все в сумме.
Вопрос к ТС. Почему тогда не рассматривается уже упомянутый рубидиевый стандарт. На ибэе постоянно проскакивают по 100-500 долларов б/у и не очень http://www.ebay.com/sch/i.html?_nkw=rubidium . Или это серийное изделие?

0.1% = 1000ppm

Газоразрядная лампа в рубидиевых часах имеет ограниченный срок службы, порядка 10 лет.
Использовать БУшный прибор с полудохлой лампой я готов только для развлечения и тестов :-)

Вспоминается из классики советского кино что-то там про волюнтаризм и нереально поставленные планы.
Все-таки предполагаемый срок службы изделия, допустимый долговременный и кратковременный уход, порядок частоты, есть ли конкретные требования к фазовым шумам и спурам? ВВФ? Небось группа 4.1.1 или, о ужас, группа 5.4?
Ибо в голову уже начинают приходить гарантийные обязательства по активным и пассивным компонентам даже с девятой приемкой, которые явно не удовлетворят Ваши требованиям. Либо атомные стандарты собственно, либо подстройка по спутникам или стандартам время от времени - больше ничего не придумывается.
Недавно перемерял старые советские СГМ-3, К31-7-1 и ССГ прецизионные конденсаторы, где-то 60-70гг прошлого века. Многие за допуск повылетали. Стареют не только люди. Но С2-29 10к с буковкой Ж держатся пока еще.

Думаю аФФтАр и большинство отвечающих не до конца прониклись простотой и грандиозностью ( ) моей идеи.

Все эти серебрянные проволоки вожженные в керамику и всеравно не дающие нужного Т.К.Е. - все это было в схемах диапазонных генераторов. Т.е. помимо катушки были и конденсаторы(с приблизительно обратным Т.К.Е.), все это перестраивалось, меняло свои параметры, а потому не могло совершенно точно друг друга компенсировать. АФФтАру не нужен диапазон частот плавной перестройки! И я не предлагаю выполнить индуктивность контура в виде длинной линии, а предлагаю заменить ей весь контур.

Пусть у разработчика есть 50x50 mm места под резонатор. Если на виток длинной линии(лучше сделать змейкой, как на материнках) тратить 1 mm получим ДЛ в 2.5 m длинной(это не учитывая укорочение) - нам нужна четверть волны - итого у нас резонатор на 30 MHz. Нужно меньше - берем какую-то 4060. Тем более сейчас когда производители ПП запросто справляются с многослойками - поместите ДЛ на внутренний слой, металл с двух сторон. А сверху схема генератора и делителя. На сколько изменится физическая длинна ДЛ во всем диапазоне температур - и это по сравнению с 10 метрами то. При всем при том и добротность ДЛ резонаторов порядка тысяч-десятков тысяч... Ни вибрация, ни температура, ни старение...

Вобщем - думаем сами, решаем сами...

У сверхпроводящего? У медного воздушного четвертьволнового коаксиального 76Ом (это оптимальное) добротность Q=8.4*радиус внутри экрана в метрах * корень квадратный из частоты в Герцах. http://www.rfcafe.com/references/electrica...l-resonator.htm , например. Там только одна ошибка в - последней формуле корень из эпсилон должен быть в знаменателе. А на материнках - для простоты, будем считать, что это микрополосок. Если добротность хоть под 100 доберется, то это достижение. У симметричной полосковой - то, что Вы предлагаете, на пару десятков процентов больше

DRUID3 несерьёзно.

2ledum:
ммм... я так сходу не помню откуда эта Ваша формула, но я помню физический смысл добротности - отношение энергий запасенных в реактивности(циркулирующей) к энергии выбывающей из системы. Там некуда ей выбывать ...

2Aner: ...аргументы в студию...

Как всегда - в повышение энтропии Вселенной. На нагрев.

Ну так а каково омическое сопротивление 2.5 m меди? Там сечение невелико, но всеже...

«..Очень чистые сплавы Инвара (Co < 0,1 %) имеют коэффициент линейного расширения 0,62—0,65·10−6/°C.»

Т.е., объемный резонатор на длинной линии из посеребренного инвара будет иметь температурный уход 0,65ppm/°C* 100°C = 65ppm.

Ну там еще всякие скин-эффекты жАру добавляют...
PS. Несколько раз перепроверял ту формулу - на частотах от 200 до 2000 МГц приблизительно совпадало. И у наполненных диэлектрических коаксиалов с учетом добавления потерь в керамике.
У нас камеры резонаторов точились из прутков 32НКД и серебрились. Уход частоты был 1Е-4 в диапазоне минус 60 -+85, но там еще стоял диэлектрический резонатор из керамики ЦТО.

В задаче стабильность по температуре не нужна. Температура +-0,01С. Т.е. даже чистая медь подойдет, если диэлектрик не испортит погоду.
Главное - чтобы со временем не уезжало по возможности.

Когда был без практики проектирования... ~15 лет назад также рассуждал. Теперь вы на этих граблях.
1) виток длинной линии, ... напряжение ( статическое, динамическое в материале) потеря геометрии, ...и поплыли.
2) есть примеры из старых мобил, кусок коаксиала с керамикой или полимером внутри, добротность за 1000 ... мало.
3) объемный резонатор точеный из металла, шлифовка, полировка ... мало.
Печатная плата, ... хорошо, много компаний делают неплохие гуны ... не хочется покупать,
догоняйте их по технологии если сможете.
вибрация, температура, старение... влияет на все это даже очень.



Еще как есть куда выбраться, причем всегда.
Иначе переходим к проектированию вечного двигателя, в нашем температурном диапазоне.

Ага. Вы еще надеетесь 15+ лет удерживать температуру всего генератора +-0,01С? Круто.

Да нету у Вас никакой задачи.. Есть "пионерские хотелки". Не более того..

А какие проблемы-то? Платиновые термодатчики не "уходят" особо, а опорное напряжение АЦП удержать можно и в более жестких пределах..



Пусть так. Но тем не менее, эта задача мне интересна.

Тогда вот, специяльные "Часики" исключительно для Ваших Задач..

У Вас есть несколько выделителей тепла в объеме - он должен получиться немалый. А держать температуру будете в районе датчика.
Плюс старение резисторов и источника опорного напряжения. Насколько уходят датчики - это уже не знаю, не сталкивался.

Блин... а я уже видел как еду на открытом лимузине и картинно вскидываю руки, массы мне рукоплещут, девушки роняют слезы... маленький мальчик спрашивает "пап, а это кто"... "Это сынок, тот кто избавил нас от кварцев" а вы тут все так подрезали мне крылья на взлете...

Но...


Так, друзья, Вы это... не перегибайте палку... Я о вечном двигателе еще ничего не говорил. То, что энергии есть куда убывать (омические + ВЧ потери в меди) еще не говорит о низком Q. Дело ведь в порядках величин...

Да и Q там таки будет ~1000 если к проводнику не приближать(так уж и быть)... Но все равно выше чем у К.К. и не особо ниже чем у основных схем включения для кварцев.

Еще мысль в духе нанотехнологий(мы отступаем, но не сдаемся ). А что если напыление Д.Л. как-то выполнить в виде микрокластеров (в любом металле они и так есть, но на более микроуровне и с сильной механической связью)... Тепло расширяет металл, домены растут, но... навстречу друг другу... Суммарная длинна проводника возрастает не на общую сумму, а только на дельту одного кластера? ...

P.S.: ...даже пылить ничего не нужно... Пропускаем после каждого зигзуга змейки переходное отверстие на другую сторону платы. Дельта каждого медного завитка незначительно деформирует переходное отверстие не внося практически лепты в электрическую длину линии... Только первая и последняя дельты играют рояль, но их длинна пренебрежимо меньше 10 м... Какие возражения?

Круто - это раз... в 10000 лучше. В 1000 раз даже уже не очень круто. Вот, например, роем яму. В яму - пенопластовый ящик. В ящик.... Ну, Вы помните - в утке - заяц... Или в зайце утка?
Погреб - давнее изобретение.

Татьяна, для меня такие цифры запредельны, хотя интуиция подсказывает, что я должен Вам доверять. Мои термостаты закончились в 85-м на дипломе, когда мы думали, что потоком нагреваемого спиралькой азота из Дюара (мы ему слегка помогали кипеть с помощью пары 2-х Ваттных резисторо) и 4-я датчиками по объему из чипов КД105А (кругленькие шайбочки такие позолоченные диаметров мм 2) под источником тока в двойном пенопластовом термостате и внутреннем объеме 20Х50мм с трубками и проводками из найзильбера полностью владеем температурой с точностью до 0.1 градуса от минус 130 до +120, как обещали в какой-то статье ПТЭ (испр. описка). Потом догадался, насколько были наивны. Подозреваю, из-за нелинейности и разброса диодов у нас градуса 2 ошибки могло бы быть.
Но. Мы до сих пор не услышали все-таки хотелку ТС по нестабильности за 15+ лет. Подозреваю, не в термостате будет проблема.

Видела какой-то запредельный конденсатор... Из инвара(?) с прокладками из чего-то хитрого... Даже не кварц. Ситалл(?).

Я работал только с СТ-32 из ситаллов. Молочно-белый, немного ближе к бежевому. Легкий, на ощупь теплый. Поликор круче. Полупрозрачный, холодный - теплопроводность неплохая, и тангенс дельта хорош. Вакуумным альтернативы нет здесь. Правда термокомпенсации нет. http://teslacoil.ru/wp-content/gallery/caps/img_2446.jpg на вид и даташит http://forum.qrz.ru/attachment.php?attachm...mp;d=1102483552 на один из переменных

Нет. Тот был не вакуумный. Подстройка там была забавная - окошечко в обкладке шторкой перекрывалось. На винтах...