Понимание схем кварцевого генератора

Базовые конфигурации схем твердотельного кварцевого генератора сегодня более развиты, почти все схемы являются модификациями широко известных систем на электронных лампах, таких как генераторы Пирса, Хартли, Клаппа и Батлера, и работают как с биполярными, так и с полевыми транзисторами.

Хотя все эти схемы в основном соответствуют поставленной цели, существует множество приложений, требующих чего-то совершенно другого или требующих точного описания функциональности.

Ниже приведен ряд схем для различных применений, от НЧ до УКВ диапазона, которые обычно не встречаются в существующих любительских приложениях или книгах.

К настоящему времени основные схемы твердотельного кварцевого генератора хорошо известны, большинство схем являются адаптацией хорошо известной технологии электронных ламп, такой как генераторы Пирса, Хартли, Клаппа и Батлера, и используют как биполярные, так и полевые транзисторы.

Хотя эти схемы в основном выполняют свое предназначение, существует множество приложений, требующих чего-то другого или требующих надежной характеристики производительности.

Здесь представлены различные схемы для широкого диапазона применений от НЧ до УКВ диапазона, которые обычно не встречаются в современной любительской литературе или литературе.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ

Точка, которую редко ценят или просто игнорируют, - это тот факт, что кристаллы кварца могут колебаться в параллельном резонансном режиме и в последовательном резонансном режиме. Две частоты разделены с незначительной разницей, обычно 2-15 кГц в частотном диапазоне.

Последовательная резонансная частота меньше по частоте по сравнению с параллельной.

Конкретный кристалл, предназначенный для использования в параллельном режиме, может быть соответствующим образом применен в последовательной резонансной цепи, если конденсатор, эквивалентный по величине его точной нагрузочной емкости (обычно 20,30, 50 или 100 пФ), подключен последовательно с кристаллом.

К сожалению, невозможно изменить задачу для последовательного резонансного кристалла в параллельных схемах. Кристалл последовательного режима, вероятно, будет колебаться за пределами своей откалиброванной частоты в своей ситуации и может оказаться невозможным для его достаточной емкостной нагрузки.

Кристаллы обертона работают в последовательном режиме, как правило, на третьем, пятом или седьмом обертоне, а производитель обычно калибрует кристалл по частоте обертона.

Запуск кристалла в параллельном режиме и умножение частоты в 3 или 5 раз генерирует довольно новый результат, работая с точно таким же кристаллом в последовательном режиме на его 3-й или 5-й обертон.

При покупке обертоновых кристаллов избегайте дилемм и определяйте желаемую частоту вместо кажущейся основной частоты.

Фундаментальные кристаллы в диапазоне от 500 кГц до 20 МГц обычно создаются для работы в параллельном режиме, однако может потребоваться работа в последовательном режиме.

Для низкочастотных кристаллов до 1 МГц можно выбрать любой режим. Кристаллы обертона обычно покрывают диапазон от 15 МГц до 150 МГц.

ШИРОКОДИАПАЗОННЫЕ ИЛИ АПЕРИОДИЧЕСКИЕ ОСЦИЛЛЯТОРЫ

Осцилляторы, которые никогда не используют настроенные схемы, часто очень полезны, будь то в качестве «кварцевых шашек» или по другим причинам. Настроенные схемы могут быть довольно большими, особенно для кристаллов НЧ.

С другой стороны, они обычно не обходятся без собственных ловушек. Некоторые кристаллы восприимчивы к колебаниям на нежелательных режимах, особенно кристаллы DT и CT, предназначенные для кварцевых генераторов LF.

Это действительно хорошая идея - убедиться, что выходной сигнал имеет правильную частоту и не наблюдается «нестабильности режима». Обычно это решает минимизация обратной связи на высоких частотах.

В особых случаях вышеупомянутую теорию можно забыть и использовать в качестве альтернативы генератор с настроенной схемой (НЧ кварцевые генераторы рассматриваются позже).

Хрустальные схемы

Первая схема ниже - это генератор с эмиттерной связью, разновидность схемы Батлера. Выходной сигнал схемы на рис. 1 в основном представляет собой синусоидальную волну, уменьшающуюся, эмиттерный резистор Q2 усиливает гармонический выход.

В результате кристалл 100 кГц генерирует отличные гармоники на частоте 30 МГц. Это схема последовательного режима.

Могут использоваться различные транзисторы. Для кристаллов выше 3 МГц рекомендуется использовать транзисторы с большим коэффициентом усиления и ширины полосы. Для кристаллов в диапазоне от 50 кГц до 500 кГц предпочтительны транзисторы с высоким коэффициентом усиления НЧ, такие как 2N3565.

Кроме того, для кристаллов в этом диапазоне допустимое рассеяние обычно ниже 100 микроватт, и ограничение амплитуды может быть существенным.

Предлагается пониженное напряжение питания одновременно с эффективным запуском. Изменение схемы за счет включения диодов, как показано на рис. 3, является более выгодным методом и повышает эффективность запуска.

Схема будет генерировать генерацию на частоте до 10 МГц при использовании подходящих транзисторов и эмиттерных резисторов. Обычно рекомендуется использовать эмиттерный повторитель или исходный повторитель.

Идентичные комментарии к приведенному выше относятся к рис. 2. В эту схему встроен буфер эмиттерного повторителя.

Две схемы несколько чувствительны к частоте, колебаниям напряжения питания и нагрузке. Рекомендуется нагрузка 1 кОм или выше.

ТТЛ LC можно комбинировать со схемами кварцевого генератора, хотя многочисленные опубликованные схемы обладают ужасной пусковой эффективностью или испытывают неповторяемость из-за огромных параметров в LC.

Схема на рис. 4. была опробована автором в диапазоне от 1 МГц до 18 МГц и будет приветствоваться. Это генератор с последовательным режимом работы, который дополняет кристаллы АТ-среза.

Выходной сигнал составляет около 3 В от пика до пика, прямоугольная волна до примерно 5 МГц, выше которой это превращается в более похожие на полусинусоидальные импульсы. Пусковая эффективность превосходна, что, по-видимому, является критическим фактором для генераторов TTL.

НИЗКОЧАСТОТНЫЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ОСЦИЛЛЯТОРЫ

Кристаллы в диапазоне от 50 кГц до 500 кГц требуют отличительных факторов, которые не обнаруживаются в более распространенных кристаллах HF огранки AT или BT.

Подобное последовательное сопротивление намного больше, а их допустимое рассеивание ограничено до 100 микроватт, в идеале 50 микроватт или ниже.

Схема на рис. 5 представляет собой генератор последовательного режима. Он предлагает преимущество, заключающееся в том, что не требуется настраиваемая схема, и имеет возможность выбора синусоидального или прямоугольного выходного сигнала. Для кристаллов в диапазоне 50–150 кГц рекомендуется использовать транзисторы 2N3565, хотя издатель считает приемлемым вариант BC107.

Оба варианта могут подходить для кристаллов в диапазоне от 150 кГц до 500 кГц. Если вы считаете, что кристалл имеет большое эквивалентное последовательное сопротивление, вы можете увеличить значение R1 до 270 Ом и R2 до 3,3 кОм.

Для прямоугольных импульсов C1 составляет 1 мкФ (или, возможно, величина рядом или больше). Для синусоидального выхода C1 отсутствует в цепи.

Контроль амплитуды не нужен. Выходной сигнал синусоидальной волны составляет приблизительно 1 В среднеквадратического значения, выходной сигнал прямоугольной формы - около 4 В.

Схема на рис. 6 на самом деле представляет собой переработанный тип генератора Колпитца с включением резистора Rf для регулирования обратной связи. Конденсаторы C1 и C2 должны быть минимизированы расчетными величинами при увеличении частоты.

На частоте 500 кГц значения для C1 и C2 должны составлять приблизительно 100 и 1500 пФ соответственно. Схема, как было доказано, обеспечивает выход синусоидальной волны с использованием второй гармоники примерно на 40 дБ ниже (или выше).

Это часто сводится к минимуму путем внимательной настройки Rf и C1. Помните, что при уменьшенной величине обратная связь важна для достижения этой цели, генератору требуется около 20 секунд для достижения полной выходной мощности.

Выходное напряжение составляет от 2 до 3 вольт от пика до пика. Когда вам нужен выход, нагруженный гармониками, этого можно добиться путем простого включения конденсатора емкостью 0,1 мкФ поверх эмиттерного резистора. Впоследствии выходное напряжение увеличивается примерно до 5 В.

В таких случаях можно уменьшить напряжение источника питания, чтобы уменьшить рассеяние кристалла. Могут использоваться другие транзисторы, хотя смещение и обратную связь, возможно, придется изменить. Для сварливых кристаллов, которые могут колебаться в режимах, отличных от тех, которые вам нужны, настоятельно рекомендуется схема на рис.

Обратная связь регулируется отводом по нагрузке коллектора Q1. Ограничение амплитуды важно для поддержания диссипации кристалла внутри границ. Для кристаллов 50 кГц катушка должна быть 2 мГн и ее резонирующий конденсатор 0,01 мкФ. Выходной сигнал составляет примерно 0,5 В (среднеквадратичное значение), в основном синусоидальный.

Настоятельно рекомендуется использование эмиттерного повторителя или буфера исходного повторителя.

В случае использования кристалла с параллельным режимом работы конденсатор на 1000 пФ, указанный последовательно с кристаллом, необходимо заменить на выбранную нагрузочную емкость кристалла (обычно от 30, от 50 до 100 пФ для этих типов кристаллов).

ЦЕПИ ВЧ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ОСЦИЛЛЯТОРА

Твердотельные конструкции для хорошо известных HF-кристаллов AT-среза, как правило, являются легионом. Но результаты не обязательно такие, как вы могли бы ожидать. Большинство необходимых кристаллов до 20 МГц обычно выбираются для работы в параллельном режиме.

Тем не менее, этот вид кристаллов можно использовать в генераторах последовательного режима, установив желаемую нагрузочную емкость последовательно с кристаллом, как указано ранее. Ниже обсуждаются два типа схем.

Хороший генератор для диапазона от 3 до 10 МГц, не требующий настройки схемы, представлен на рис. 8 (а). Это, естественно, та же схема, что и на рис.6. Схема работает очень хорошо до 1 МГц, когда C1 и C2 выше 470 и 820 пФ соответственно. Его можно использовать до 15 МГц, если C1 и C2 уменьшены до 120 и 330 пФ. соответственно.

Эта схема рекомендуется для некритических целей, в которых желательны или не подходят большие гармоники на выходе. Включение настроенной схемы, как в 8b, значительно снижает гармонический выход.

Обычно рекомендуется настроенная схема со значительной добротностью. В генераторе 6 МГц мы достигли следующих результатов. При добротности катушки 50 вторая гармоника была 35 дБ на всем протяжении.

При добротности 160 это было -50 дБ! Резистор Rf можно изменить (немного увеличить), чтобы улучшить это. Выход дополнительно повышается с помощью катушки с высокой добротностью.

Как уже отмечалось ранее, при уменьшении обратной связи требуется несколько десятков секунд для достижения 100% выхода при включении, даже в этом случае стабильность частоты фантастическая.

Работа на разных частотах может быть достигнута за счет эффективной регулировки конденсаторов и катушки.

Эта схема (рис. 8) также может быть преобразована в чрезвычайно полезный VXO. Крошечная индуктивность определена последовательно с кристаллом, а один из конденсаторов в цепи обратной связи используется как переменный тип.

Обычный двухрядный настроечный конденсатор передатчика 10-415 пФ справится с этой задачей. Все банды подключаются параллельно.

Диапазон настройки определяется кристаллом, индуктивностью L1 и частотой. Больший диапазон обычно доступен при использовании более высокочастотных кристаллов. Стабильность очень хорошая, приближается к кристаллу.

УКВ ОСЦИЛЛЯТОР-УМНОЖИТЕЛЬ

Схема на рисунке 10 представляет собой модифицированную версию обертонного генератора с «инвертированием импеданса». Обычно, применяя схему инвертирования импеданса, коллектор либо не настраивается, либо заземляется для RF.

Коллектор может быть настроен в два или в три раза больше частоты кристалла, чтобы минимизировать выход на частоте кристалла, предлагается схема с двойной настройкой.

НИКОГДА НЕ СЛЕДУЕТ настраивать коллектор на частоту кристалла, иначе схема может колебаться с частотой, которая может быть вне контроля кристалла. Вам нужно, чтобы коллектор был очень маленьким и как можно больше был один на один.

Конечные результаты при использовании схемы этого типа были великолепны. Практически все выходы, кроме желаемого, были на уровне -60 дБ или выше.

Уровень шума составляет минимум 70 дБ ниже желаемой мощности. Это создает выдающийся генератор преобразования для преобразователей VHF / UHF.

Практически 2 В ВЧ можно получить на горячем выводе L3 (авторский оригинал на 30 МГц). Настоятельно рекомендуется источник питания, регулируемый стабилитроном.

Как показано на диаграмме, для разных транзисторов важны различные значения схемы. Блуждающие породы в определенной структуре также могут потребовать модификации. L1 может использоваться для перемещения кристалла по частоте. Незначительные изменения частоты (около 1 ppm) происходят при регулировке L2 и L3, а также при изменении нагрузки. При этом в реальном тестировании эти вещи могли быть несущественными.