銣光譜燈激勵(lì)電路反饋控制研究

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.