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      銣光譜燈激勵(lì)電路反饋控制研究

      2010-05-24 11:45:52張金海涂建輝梁耀廷崔敬忠
      真空與低溫 2010年2期
      關(guān)鍵詞:晶體管控制電路穩(wěn)定度

      張金海,涂建輝,梁耀廷,崔敬忠

      (蘭州物理研究所,甘肅 蘭州 730000)

      1 引言

      銣原子頻標(biāo)因具有體積小、功耗低、預(yù)熱快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于通信、無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航、電視傳播等領(lǐng)域。衛(wèi)星導(dǎo)航精度的不斷提高對(duì)銣原子頻標(biāo)的穩(wěn)定度有了更高的要求。銣光譜燈為銣原子躍遷提供抽運(yùn)光源,其輸出光強(qiáng)的穩(wěn)定性對(duì)銣原子頻標(biāo)性能指標(biāo)有直接的影響[1]。銣光譜燈是銣原子頻標(biāo)的核心部件之一,對(duì)于銣光譜燈來(lái)說(shuō),激勵(lì)電路工作的穩(wěn)定與否是決定銣光譜燈的光強(qiáng)穩(wěn)定性的重要因素。由于激勵(lì)電路中的高頻晶體管的輸出電流隨著外界溫度的變化而變化,這樣會(huì)使得激勵(lì)電路的工作點(diǎn)發(fā)生變化,為了減小因環(huán)境溫度變化對(duì)晶體管性能的影響,適當(dāng)改進(jìn)激勵(lì)電路,增加反饋控制電路,穩(wěn)定激勵(lì)電路的直流工作點(diǎn),從而提高銣光譜燈光強(qiáng)穩(wěn)定性。國(guó)外在此方面做過(guò)相應(yīng)的工作,且取得較好的效果[2]。借鑒這種思路開(kāi)展研究工作,以改善銣原子頻標(biāo)整機(jī)性能。

      2 激勵(lì)電路的設(shè)計(jì)

      激勵(lì)電路采用的是串聯(lián)型電容三點(diǎn)式激勵(lì)電路,電路原理圖如圖1所示。

      激勵(lì)電路的回路由C2、C3、C4、C5和激勵(lì)線(xiàn)圈L3組成,銣燈泡位于激勵(lì)線(xiàn)圈中,在高頻電場(chǎng)作用下發(fā)出抽運(yùn)光。C2、C5決定激勵(lì)電路的振蕩頻率,改變C2和C5可以減小晶體管電容對(duì)頻率的影響,提高振蕩頻率穩(wěn)定度。C3、C4是微調(diào)電容,用來(lái)調(diào)節(jié)激勵(lì)線(xiàn)圈的振蕩頻率。D1和R2作為晶體管Q1偏置網(wǎng)絡(luò)的一部分,提供相對(duì)較低的偏置源[3]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),激勵(lì)電路在工作時(shí),隨著溫度的變化,工作電流也隨之改變,則銣燈泡的發(fā)光狀態(tài)亦發(fā)生改變,這主要是由于高頻晶體管Q1對(duì)外界溫度的敏感性引起的,其中主要與晶體管的ICBO、ICEO等參數(shù)有關(guān)。當(dāng)外界溫度升高,從外部看ICBO增大,則ICEO增大,從而使得IC增大;反之,當(dāng)外界溫度降低時(shí),則IC隨之減小。為了穩(wěn)定激勵(lì)電路的工作狀態(tài),適當(dāng)改進(jìn)了激勵(lì)電路,增加反饋控制電路[3],提高激勵(lì)電路的穩(wěn)定性。

      3 反饋控制電路的設(shè)計(jì)

      通過(guò)增加反饋控制電路使基極電流穩(wěn)定,從而可以提高激勵(lì)電路的穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定銣光譜燈光強(qiáng)的目的。激勵(lì)電路的端口A、B是連接反饋控制電路的2個(gè)端口,整個(gè)控制環(huán)路的工作原理框圖如圖2所示。

      圖2 反饋控制電路工作原理框圖

      光檢測(cè)器 反饋控制電路

      銣燈泡

      激勵(lì)電路

      反饋控制電路主要由電壓射隨器AR1、比較器AR2以及差分放大器AR3三部分組成,電路工作原理如圖3所示。

      圖3 控制電路工作原理圖

      該控制電路所要實(shí)現(xiàn)的功能主要有2個(gè):一是點(diǎn)燈電壓的切換;二是調(diào)節(jié)控制激勵(lì)電路的基極偏置電流。

      整個(gè)控制回路的工作原理是:銣燈泡未被點(diǎn)亮前,光強(qiáng)檢測(cè)信號(hào)為零,AR1輸出為零,AR2反相端輸入電壓低于同相端參考電壓UREF1,AR2輸出高電壓,二極管D2導(dǎo)通,運(yùn)放AR3同相端電壓遠(yuǎn)大于反向端電壓,運(yùn)放輸出高電壓,使得銣燈泡在高功率下點(diǎn)亮。銣燈泡點(diǎn)亮之后,光強(qiáng)檢測(cè)信號(hào)逐漸增大,當(dāng)高于AR2同相端參考電壓時(shí),比較器AR2輸出低電壓,二極管D2截止,AR3同相端電壓UREF2減小,運(yùn)放AR3輸出電壓降低,則激勵(lì)電路中的IB減小,IC亦減小,使得銣燈泡在低功率下維持工作。由于晶體管的輸出電流隨著溫度變化,當(dāng)溫度升高時(shí),IC增大,則端口A電壓UA增大,運(yùn)放AR3輸出電壓減小,即UB減小,這樣使得IB減小,則IC減小,反之亦然。

      4 測(cè)試結(jié)果

      在(25±0.5)℃恒溫環(huán)境下,對(duì)激勵(lì)電路在不加控制電路和加控制電路2種狀態(tài)下分別進(jìn)行了10天的測(cè)試,采樣時(shí)間間隔是10 s。圖4是兩組光強(qiáng)穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果的比較。

      圖4 光強(qiáng)穩(wěn)定度測(cè)試曲線(xiàn)

      由圖4可以看出,激勵(lì)電路在加上控制電路之后,所測(cè)得光強(qiáng)穩(wěn)定度曲線(xiàn)要好于未加控制環(huán)路之前所測(cè)得的曲線(xiàn)。表1是2種狀態(tài)下所測(cè)得一些指標(biāo)的比較。

      表1 銣光譜燈光強(qiáng)測(cè)試指標(biāo)比較

      從表1中可以看到,加上控制電路所測(cè)得銣燈光強(qiáng)的性能指標(biāo)均優(yōu)于未加控制電路所測(cè)指標(biāo),根據(jù)所用的物理部分測(cè)得的光頻移系數(shù)是2×10-11/%推算,銣光譜燈輸出光強(qiáng)的變化對(duì)萬(wàn)秒穩(wěn)定度、天漂移率的貢獻(xiàn)分別為8.84×10-14、2.3×10-14。這說(shuō)明,通過(guò)對(duì)銣光譜燈激勵(lì)電路增加控制電路,提高了銣光譜燈光強(qiáng)的穩(wěn)定性,這將有助于提高銣原子頻標(biāo)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度。

      5 結(jié)論

      作者設(shè)計(jì)了具有反饋控制的銣光譜燈激勵(lì)電路,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,激勵(lì)電路在增加控制電路后,銣光譜燈輸出光強(qiáng)的萬(wàn)秒穩(wěn)定度、天漂移率分別較未加控制的激勵(lì)電路均有所提高,說(shuō)明控制電路在一定程度上提高了銣光譜燈光強(qiáng)的穩(wěn)定性,達(dá)到了改進(jìn)的目的。

      [1]涂建輝,李冠斌,達(dá)道安,等.銣光譜燈老化過(guò)程分析[J].真空與低溫,2006,12(3):173~174.

      [2]RILEYWJ.A rubidium clock for gps[C].Proceeding of the thirteen annual precise time and interval applications and planning meeting,1981,11.

      [3]RILEYWJ.Hamilton.Power supplycircuit for an alkali vapor spectral lamp[P].U.S.Patent No.4,721,890,1988-01-26.

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