Zrozumienie obwodów oscylatora kwarcowego

Podstawowe konfiguracje obwodów kryształowych oscylatorów półprzewodnikowych są dziś bardziej rozwinięte, prawie wszystkie obwody są modyfikacjami powszechnie uznanych systemów lamp próżniowych, takich jak oscylator Pierce, Hartley, Clapp i Butler, i współpracują zarówno z urządzeniami bipolarnymi, jak i FET.

Chociaż wszystkie te obwody zasadniczo spełniają wyznaczony cel, istnieje wiele zastosowań, które wymagają czegoś zupełnie innego lub w których funkcjonalność wymaga dokładnego opisania.

Poniżej wymieniono szereg obwodów do różnych zastosowań, od LF do zakresu VHF, które zwykle nie są widoczne w istniejących amatorskich zastosowaniach lub książkach.

Podstawowe techniki obwodów kryształowych oscylatorów półprzewodnikowych są obecnie dobrze ugruntowane, a większość obwodów jest adaptacją dobrze znanej technologii lamp próżniowych, takich jak oscylator Pierce, Hartley, Clapp i Butler, i wykorzystuje zarówno urządzenia bipolarne, jak i FET.

Chociaż obwody te zasadniczo spełniają swoje zamierzone przeznaczenie, istnieje wiele zastosowań, które wymagają czegoś innego lub w których wydajność musi być wiarygodnie scharakteryzowana.

Przedstawiono tutaj różnorodne obwody do szeregu zastosowań od LF do zakresu VHF, które nie są powszechnie spotykane w aktualnych zastosowaniach amatorskich lub w literaturze.

TRYBY DZIAŁANIA

Rzadko cenioną lub po prostu pomijaną kwestią jest fakt, że kryształy kwarcu mogą oscylować w trybie rezonansu równoległego oraz w trybie rezonansu szeregowego. Dwie częstotliwości są rozdzielane z niewielką różnicą, zwykle 2-15 kHz w zakresie częstotliwości.

Szeregowa częstotliwość rezonansowa ma mniejszą częstotliwość w porównaniu do równoległej.

Konkretny kryształ zaprojektowany do użytku w trybie równoległym może być odpowiednio zastosowany w szeregowym obwodzie rezonansowym, jeśli kondensator równoważny wielkością do jego dokładnej pojemności obciążenia (zwykle 20,30, 50 lub 100 pF) jest połączony szeregowo z kryształem.

Niestety nie jest możliwe odwrócenie zadania dla kryształu rezonansowego szeregowego w obwodach trybu równoległego. Kryształ w trybie szeregowym prawdopodobnie będzie oscylował poza swoją skalibrowaną częstotliwością w swojej sytuacji i może nie być możliwe do osiągnięcia wystarczającego obciążenia pojemnościowego.

Kryształy alikwotu działają w trybie szeregowym na ogół w trzecim, piątym lub siódmym tonie, a producent zwykle kalibruje kryształ w częstotliwości alikwotu.

Uruchomienie kryształu w trybie równoległym i pomnożenie częstotliwości 3 lub 5 razy generuje raczej nowy wynik, ponieważ działa dokładnie ten sam kryształ w trybie szeregowym na jego trzecim lub piątym wydźwięku.

Kupując kryształy alikwotu, unikaj dylematów i określ częstotliwość, którą chcesz, zamiast pozornej częstotliwości podstawowej.

Kryształy podstawowe w zakresie od 500 kHz do 20 MHz są generalnie budowane do pracy w trybie równoległym, jednak może być wymagana praca w trybie szeregowym.

W przypadku kryształów o niskiej częstotliwości do 1 MHz można wybrać dowolny tryb. Kryształy alikwotu zwykle obejmują zakres od 15 MHz do 150 MHz.

SZEROKI ZAKRES lub OSCYLATORY APERIODYCZNE

Oscylatory, które nigdy nie wykorzystują strojonych obwodów, są często bardzo przydatne, jako „kryształowe warcaby” lub z innego powodu. Zwłaszcza w przypadku kryształów LF obwody dostrojone mogą być dość duże.

Z drugiej strony zwykle nie są pozbawione własnych pułapek. Kilka kryształów jest podatnych na oscylacje w niepożądanych modach, w szczególności kryształy cięte DT i CT przeznaczone do oscylatorów kwarcowych LF.

Naprawdę dobrym pomysłem jest upewnienie się, że sygnał wyjściowy ma odpowiednią częstotliwość i nie jest widoczna żadna „niestabilność trybu”. Minimalizacja sprzężenia zwrotnego przy wyższych częstotliwościach zwykle rozwiązuje ten problem.

W szczególnych przypadkach można zapomnieć o powyższej teorii i alternatywnie zastosować oscylator ze strojonym obwodem (oscylatory kwarcowe LF są później omówione).

Crystal Circuits

Pierwszy obwód poniżej to oscylator sprzężony z emiterem, odmiana obwodu Butlera. Wyjście obwodu na rys. 1 to w zasadzie fala sinusoidalna zmniejszająca rezystor emitera Q2, wzmacniający wyjście harmonicznej.

W rezultacie kryształ 100 kHz generuje doskonałe harmoniczne przy 30 MHz. Jest to obwód w trybie szeregowym.

Można zastosować szereg tranzystorów. W przypadku kryształów powyżej 3 MHz zaleca się stosowanie tranzystorów o wysokiej szerokości pasma. W przypadku kryształów z zakresu od 50 kHz do 500 kHz preferowane są tranzystory o wysokim wzmocnieniu LF, takie jak 2N3565.

Dodatkowo, w przypadku kryształów w tym wyborze, dopuszczalne rozpraszanie jest zwykle niższe niż 100 mikrowatów i ograniczenie amplitudy może być istotne.

Sugerowane jest obniżone napięcie zasilania wraz z wydajnym uruchomieniem. Zmiana obwodu poprzez włączenie diod, jak pokazano na rys. 3, jest bardziej korzystną techniką i zwiększa wydajność rozruchu.

Obwód będzie oscylował z częstotliwością do 10 MHz przy użyciu odpowiednich tranzystorów i wartości rezystorów emitera. Zwykle zalecany jest podążający za emiterem lub źródłowy bufor podążający.

Komentarze identyczne do powyższych połączono z rys. 2. W obwodzie tym wbudowany jest bufor wtórnika emitera.

Oba obwody są w pewnym stopniu wrażliwe na częstotliwość i zmiany napięcia zasilania oraz specyfikacje obciążenia. Zalecane jest obciążenie 1 k lub większe.

TTL LC można łączyć z obwodami oscylatora kwarcowego, chociaż wiele opublikowanych obwodów ma straszną sprawność rozruchową lub wykazuje niepowtarzalność ze względu na ogromne parametry w lC.

Obwód na rys. 4 został eksperymentowany przez autora w zakresie od 1 MHz do 18 MHz i będzie zachęcany. Jest to oscylator pracujący w trybie szeregowym, uzupełniający kryształy cięte w AT.

Sygnał wyjściowy to około 3 V od szczytu do szczytu, fala prostokątna do około 5 MHz, powyżej której zamienia się w impulsy bardziej podobne do półsinusoidalnych. Wydajność początkowa jest znakomita, co wydaje się być głównie czynnikiem krytycznym w przypadku oscylatorów TTL.

KRYSZTAŁOWE OSCYLATORY O NISKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

Kryształy w zakresie od 50 kHz do 500 kHz wymagają charakterystycznych czynników, które nie są dostrzeżone w bardziej rozpowszechnionych kryształach HF ciętych AT lub BT.

Podobna rezystancja szeregowa jest znacznie większa, a ich dopuszczalne rozpraszanie jest ograniczone do poniżej 100 mikrowatów, najlepiej 50 mikrowatów lub mniej.

Obwód na rys. 5 jest oscylatorem pracującym w trybie szeregowym. Oferuje tę zaletę, że nie potrzebuje strojonego obwodu i oferuje wybór wyjścia fali sinusoidalnej lub prostokątnej. W przypadku kryształów w zakresie 50-150 kHz zaleca się stosowanie tranzystorów 2N3565, mimo że wydawca uważa, że ​​BC107 jest rozsądne.

Obie odmiany mogą być odpowiednie dla kryształów w zakresie od 150 kHz do 500 kHz. Jeśli uważasz, że kryształ ma dużą równoważną rezystancję szeregową, możesz zwiększyć wartość R1 do 270 omów, a R2 do 3,3 k.

W przypadku operacji na falach prostokątnych C1 wynosi 1 uF (lub być może wartość równoległą lub większą od niej). Dla wyjścia fali sinusoidalnej C1 nie jest w obwodzie.

Kontrola amplitudy jest zbędna. Sygnał wyjściowy fali sinusoidalnej wynosi około 1 V rms, wyjście prostokątne bez napięcia około 4 V od szczytu do szczytu.

Obwód na rys. 6 jest w rzeczywistości zmienionym typem oscylatora Colpittsa, z włączeniem rezystora Rf do regulacji sprzężenia zwrotnego. Kondensatory C1 i C2 muszą być zminimalizowane poprzez obliczone wielkości wraz ze wzrostem częstotliwości.

Przy 500 kHz wartości C1 i C2 muszą wynosić odpowiednio około 100 pF i 1500 pF. Sprawdzony obwód oferuje wyjście fali sinusoidalnej z wykorzystaniem drugiej harmonicznej o około 40 dB niżej (lub wyżej).

Jest to często zminimalizowane poprzez uważne dostosowywanie Rf i C1. Pamiętaj, że przy zmniejszonej wartości sprzężenie zwrotne jest niezbędne, aby to osiągnąć, potrzebuje około 20 sekund, aby oscylator osiągnął pełną moc.

Wyjście wynosi od 2 do 3 woltów od szczytu do szczytu. Gdy potrzebujesz wyjścia obciążonego harmonicznymi, wystarczy łatwe włączenie kondensatora 0,1 μF na rezystor emitera. Następnie moc wyjściowa wzrasta do około 5 V.

W takich przypadkach można obniżyć napięcie zasilania, aby zmniejszyć rozpraszanie kryształów. Można zastosować inne tranzystory, chociaż konieczne może być dostosowanie obciążenia i sprzężenia zwrotnego. W przypadku kłębowatych kryształów zaprojektowanych do oscylacji w modach innych niż te, które chcesz, obwód z ryc. 7 zdecydowanie sugeruje

Sprzężenie zwrotne jest regulowane przez zaczep wzdłuż obciążenia kolektora Q1. Ograniczanie amplitudy jest ważne, aby utrzymać rozpraszanie kryształów wewnątrz granic. Dla kryształów 50 kHz cewka musi mieć 2 mH, a jej kondensator rezonansowy 0,01 uF. Wyjście wynosi około 0,5 V rms, zasadniczo sinusoida.

Zdecydowanie zalecane jest użycie podążającego za emiterem lub źródła podążającego bufora.

W przypadku wykorzystania kryształu w trybie równoległym kondensator 1000 pF wskazany szeregowo z kryształem musi zostać zmieniony na wybraną pojemność obciążenia kryształu (typowo 30, 50 do 100 pF dla tego typu kryształów).

OBWODY OSCYLATORA KRYSZTAŁOWEGO HF

Konstrukcje półprzewodnikowe dla dobrze znanych kryształów HF ciętych AT wydają się być legionem. Ale wyniki niekoniecznie są takie, jakich można by się spodziewać. Większość niezbędnych kryształów do 20 MHz jest zwykle wybierana do pracy w trybie równoległym.

Niemniej jednak, ten rodzaj kryształów może być używany w oscylatorach pracujących w trybie szeregowym poprzez szeregowe umieszczenie pożądanej pojemności obciążenia w szeregu z kryształem, jak wspomniano wcześniej. Poniżej omówiono dwa typy obwodów.

Dobry oscylator dla zakresu od 3 do 10 MHz, który nie wymaga strojonego obwodu, przedstawiono na rys. 8 (a). Jest to oczywiście ten sam obwód, co na rys.6. Obwód działa bardzo dobrze do 1 MHz, gdy C1 i C2 są wyższe niż odpowiednio 470 pF i 820 pF. Może być wykorzystany do 15 MHz w przypadku obniżenia C1 i C2 do 120 pF i 330 pF. odpowiednio.

Ten obwód jest zalecany do celów niekrytycznych, w których pożądane jest wyjście dużej harmonicznej lub nie jest to opcja. Włączenie strojonego obwodu, jak w 8b, znacznie minimalizuje harmoniczne wyjściowe.

Zwykle zalecany jest obwód strojony o znacznej wartości Q. W oscylatorze 6 MHz osiągnęliśmy poniższe wyniki. Mając cewkę Q o wartości 50, druga harmoniczna była na całej długości 35 dB.

Mając Q równe 160, było to -50 dB! Rezystor Rf można zmienić (nieco zwiększyć), aby to wzmocnić. Moc jest dodatkowo podnoszona za pomocą cewki o wysokiej wartości Q.

Jak poprzednio zaobserwowano, przy zmniejszonym sprzężeniu zwrotnym osiągnięcie 100% mocy wyjściowej od włączenia zajmuje kilkadziesiąt sekund, a mimo to stabilność częstotliwości jest fantastyczna.

Funkcjonowanie przy różnych częstotliwościach można osiągnąć poprzez efektywną regulację kondensatorów i cewki.

Ten obwód (ryc. 8) można również zamienić na niezwykle przydatne VXO. Niewielka indukcyjność jest zdefiniowana szeregowo z kryształem, a jeden z kondensatorów w obwodzie sprzężenia zwrotnego jest używany jako typ zmienny.

Powszechny dwuzakresowy kondensator strojenia nadajnika 10-415 pF doskonale spełni zadanie. Poszczególne gangi są połączone równolegle.

Zakres strojenia zależy od kryształu, indukcyjności L1 i częstotliwości. Większy zakres jest ogólnie dostępny przy użyciu kryształów o wyższej częstotliwości. Stabilność jest bardzo dobra, zbliżając się do kryształu.

MULTIPLIER OSCYLATORA VHF

Obwód na rys. 10 jest zmodyfikowaną wersją oscylatora nadtonowego „odwracającego impedancję”. Zazwyczaj po zastosowaniu obwodu odwracającego impedancję kolektor jest albo niestrojony, albo uziemiony dla RF.

Kolektor mógłby być dostrojony do dwukrotności lub 3-krotności częstotliwości kryształu w celu zminimalizowania mocy wyjściowej przy częstotliwości kryształu, proponuje się obwód strojony 2x.

NIGDY NIE WOLNO dostrajać kolektora do częstotliwości kryształu, w przeciwnym razie obwód może oscylować z częstotliwością, która może być poza kontrolą kryształu. Musisz utrzymywać kolektor bardzo mały i jeden na jednego tak bardzo, jak tylko możesz.

Końcowe rezultaty przy użyciu tego typu obwodu były świetne. Prawie wszystkie wyjścia oprócz pożądanej miały -60 dB lub więcej.

Poziom hałasu osiąga co najmniej 70 dB poniżej żądanej mocy wyjściowej. Tworzy to znakomity oscylator konwersji dla przetworników VHF / UHF.

Praktycznie 2 V RF można uzyskać na gorącym terminalu L3 (oryginał autora przy 30 MHz). Stanowczo zalecany zasilacz regulowany przez Zenera.

Jak wskazano na schemacie, różne wartości obwodów są istotne dla różnych tranzystorów. Strays w określonej strukturze mogą również wymagać modyfikacji. L1 może być używany do przesuwania kryształu na częstotliwości. Niewielkie zmiany częstotliwości (około 1 ppm) mają miejsce podczas dostosowywania L2 i L3, a także przy użyciu zmian obciążenia. To powiedziawszy, w prawdziwych testach te rzeczy mogą być nieistotne.