Înțelegerea circuitelor de oscilatoare de cristal

Configurațiile de bază ale circuitului oscilatorului cu cristal în stare solidă sunt astăzi mai dezvoltate, aproape toate circuitele fiind modificări ale sistemelor de tuburi de vid recunoscute pe scară largă, cum ar fi oscilatorul Pierce, Hartley, Clapp și Butler și funcționează atât cu dispozitive bipolare, cât și cu dispozitive FET.

Deși toate aceste circuite îndeplinesc în mod fundamental obiectivul proiectat, există o mulțime de aplicații care necesită ceva complet diferit sau în care funcționalitatea necesită o descriere exactă.

Mai jos sunt enumerate o serie de circuite, pentru o varietate de aplicații chiar de la LF până la gama VHF, care nu sunt de obicei văzute în cărțile sau utilizarea amatorilor.

Tehnicile de bază ale circuitului oscilatorului cu cristale în stare solidă sunt deja bine stabilite, majoritatea circuitelor fiind adaptări ale tehnologiei cunoscute a tuburilor de vid, cum ar fi oscilatorul Pierce, Hartley, Clapp și Butler și utilizează atât dispozitive bipolare, cât și dispozitive FET.

În timp ce aceste circuite îndeplinesc în esență scopul propus, există multe aplicații care necesită ceva diferit sau în care performanța trebuie să fie caracterizată în mod fiabil.

Aici sunt prezentate o varietate de circuite, pentru o serie de aplicații de la LF până la gama VHF, care nu se găsesc în mod obișnuit în utilizarea curentă a amatorilor sau în literatura de specialitate.

MODURI DE FUNCȚIONARE

Un punct rar apreciat, sau pur și simplu trecut cu vederea, este faptul că cristalele de cuarț pot oscila într-un mod rezonant paralel și într-un mod rezonant serie. Cele două frecvențe sunt împărțite cu o diferență minoră, de obicei cu 2-15 kHz peste intervalul de frecvență.

Frecvența rezonantă a seriei este mai mică ca frecvență în comparație cu paralela.

Un cristal specific conceput pentru a fi utilizat în modul paralel ar putea fi aplicat în mod corespunzător într-un circuit rezonant de serie în cazul în care un condensator echivalent în mărime cu capacitatea sa exactă de încărcare (de obicei 20,30, 50 sau 100 pF) este atașat în serie cu cristalul.

Din păcate, nu este posibilă inversarea sarcinii pentru cristalele rezonante de serie în circuite în mod paralel. Cristalul în mod serie va oscila probabil dincolo de frecvența calibrată în situația sa și s-ar putea să nu fie fezabil să-l încarce suficient capacitiv.

Cristalele de supratonă rulează în modul serie, în general pe al treilea, al cincilea sau al șaptelea ton, iar producătorul calibrează de obicei cristalul în frecvența supratonului.

Rularea unui cristal în modul paralel și înmulțirea frecvenței de 3 sau 5 ori generează mai degrabă un nou rezultat, operând exact același cristal în modul serie la cel de-al treilea sau al 5-lea ton al acestuia.

În timp ce cumpărați cristale de supratone, stați departe de dilemă și identificați frecvența pe care ați dori-o, în locul frecvenței aparente fundamentale.

Cristalele fundamentale cuprinse între 500 kHz și 20 MHz sunt, în general, construite pentru funcționarea în mod paralel, cu toate acestea ar putea fi solicitată funcționarea în serie.

Pentru cristalele cu frecvență joasă de până la 1 MHz, oricare dintre moduri ar putea fi ales. Cristalele de overtonă acoperă în mod normal intervalul de 15 MHz până la 150 MHz.

GAMA LARGĂ sau OSCILATORI APERIODICI

Oscilatoarele care nu folosesc niciodată circuitele reglate sunt adesea foarte utile, fie ca „verificatoare de cristal”, fie pentru orice alt motiv. Mai ales pentru cristalele LF, circuitele reglate ar putea fi destul de mari.

Pe de altă parte, de obicei nu sunt lipsite de propriile capcane. Câteva cristale sunt susceptibile de oscilație în modurile nedorite, în special cristalele tăiate DT și CT destinate oscilatoarelor cu cuarț LF.

Este cu adevărat o idee bună să vă asigurați că ieșirea este pe frecvența corectă și că nu apare „instabilitatea modului”. Minimizarea feedback-ului la frecvențe mai mari rezolvă de obicei acest lucru.

În cazuri speciale, teoria de mai sus poate fi uitată și un oscilator care posedă un circuit reglat poate fi aplicat ca alternativă (oscilatoarele cu cristale LF sunt revizuite după aceea).

Circuite de cristal

Primul circuit de mai jos este un oscilator cuplat cu emițător, o variație a circuitului Butler. Ieșirea circuitului din Fig. 1 este practic undă sinusoidală care scade rezistența emițătorului Q2 crește ieșirea armonică.

Ca rezultat, un cristal de 100 kHz generează armonici excelente prin 30 MHz. Este un circuit în mod serie.

Se poate folosi o gamă de tranzistoare. Pentru cristale de peste 3 MHz, sunt recomandate tranzistoarele cu un produs cu lățime de bandă mare. Pentru cristale în intervalul de 50 kHz până la 500 kHz, sunt preferați tranzistori cu câștig mare de LF, cum ar fi 2N3565.

În plus, pentru cristalele din această selecție, disiparea admisibilă este în mod normal mai mică de 100 de microviți și constrângerea amplitudinii ar putea fi esențială.

Se sugerează o tensiune redusă de alimentare, în etapă cu pornirea eficientă. Modificarea circuitului prin includerea diodelor așa cum se arată în Fig. 3 este o tehnică mai benefică, iar eficiența de pornire este îmbunătățită.

Circuitul va oscila la 10 MHz folosind tranzistoare adecvate și valori ale rezistenței emițătorului. De obicei, se recomandă un emițător sau un tampon de urmărire sursă.

Comentariile identice cu cele de mai sus se conectează cu Fig. 2. Un tampon de urmărire a emițătorului este încorporat în acest circuit.

Cele două circuite sunt oarecum sensibile la frecvență și la variațiile tensiunii de putere și specificațiile de încărcare. Se recomandă o încărcare de 1 k sau mai mare.

TTL lC ar putea fi combinat cu circuite de oscilatoare cu cristale, deși numeroase circuite publicate au o eficiență teribilă de pornire sau au o repetabilitate datorită parametrilor vasti din lC.

Circuitul din Fig. 4. a fost experimentat de autor în intervalul 1 MHz până la 18 MHz și va fi încurajat. Acesta este un oscilator în mod serie și completează cristalele tăiate AT.

Ieșirea este în jur de 3 V vârf până la vârf, undă pătrată până la aproximativ 5 MHz deasupra căreia aceasta se transformă în mai asemănătoare cu impulsurile semisinusale. Eficiența de pornire este superbă, ceea ce pare să fie în cea mai mare parte un factor critic cu oscilatoarele TTL.

OSCILATORI DE CRISTAL CU FRECVENȚĂ SCĂZUTĂ

Cristalele cuprinse în intervalul 50 kHz până la 500 kHz necesită factori distinctivi care nu sunt observați în cristalele HF mai răspândite cu tăiere AT sau BT.

Rezistența similară a seriei este mult mai mare, iar disiparea lor admisibilă este limitată la sub 100 de microviți, în mod ideal 50 microviți sau mai mici.

Circuitul din Fig. 5 este un oscilator în mod serie. Acesta oferă avantajul de a nu avea nevoie de un circuit reglat și oferă o alegere de ieșire cu undă sinusoidală sau pătrată. Pentru cristale în spectrul de 50-150 kHz, sunt recomandate tranzistoarele 2N3565, chiar dacă editorul consideră că BC107 este rezonabil.

Ambele varietăți pot fi adecvate pentru cristale cuprinse între 150 kHz și 500 kHz. Dacă credeți că cristalul include o rezistență echivalentă mare în serie, atunci puteți crește valoarea R1 la 270 ohmi și R2 la 3,3 k.

Pentru operațiile cu undă pătrată, C1 este 1 uF (sau poate o magnitudine alături sau mai mare decât aceasta). Pentru ieșirea cu undă sinusoidală, C1 nu este în circuit.

Controlul amplitudinii este inutil. Ieșirea de undă sinusoidală este de aproximativ 1 V rms, ieșirea de renunțare pătrată în jur de 4 V vârf până la vârf.

Circuitul din Fig. 6 este de fapt un tip revizuit al oscilatorului Colpitts, cu includerea rezistorului Rf pentru a regla feedback-ul. Condensatoarele C1 și C2 trebuie să fie reduse la minimum prin magnitudini calculate pe măsură ce frecvența este crescută.

La 500 kHz, valorile pentru C1 și C2 trebuie să fie de aproximativ 100 pF și 1500 pF corespunzător. Circuitul așa cum s-a dovedit oferă ieșire cu undă sinusoidală utilizând a doua armonică cu aproximativ 40 dB mai mică (sau mai mare).

Acest lucru este adesea minimizat prin modificarea conștientă a Rf și C1. Amintiți-vă că, la cantitatea redusă, un feedback este esențial pentru a realiza acest lucru, este nevoie de aproximativ 20 de secunde pentru ca oscilatorul să obțină o ieșire completă.

Ieșirea este în jur de 2 până la 3 volți de la vârf la vârf. Când aveți nevoie de o ieșire încărcată cu armonici, includerea ușoară a unui condensator de 0,1 uF peste rezistorul emițătorului va realiza acest lucru. Ieșirea crește ulterior la aproximativ 5 V vârf la vârf.

Tensiunea de alimentare poate fi redusă în astfel de cazuri pentru a reduce disiparea cristalelor. Se pot utiliza și alte tranzistoare, deși ar trebui să fie modificate părtinirea și feedback-ul. Pentru cristalele ciudate concepute să oscileze în moduri în afară de cele pe care le-ați dori, circuitul din Fig.7 sugerează cu tărie

Feedback-ul este guvernat de o atingere de-a lungul încărcării colectorului Q1. Limitarea amplitudinii este importantă pentru a menține disiparea cristalelor în interiorul granițelor. Pentru cristale de 50 kHz, bobina trebuie să fie de 2 mH și condensatorul său de rezonanță 0,01 uF. Ieșirea este de aproximativ 0,5 V rms, fundamental o undă sinusoidală.

Este recomandat să se utilizeze un emițător sau o sursă de memorie tampon.

În cazul în care se utilizează un cristal în mod paralel, condensatorul de 1000 pF indicat în serie cu cristalul trebuie schimbat la capacitatea de încărcare selectată a cristalului (de obicei 30, 50 până la 100 pF pentru aceste tipuri de cristale).

CIRCUITE OSCILATOR CRISTAL HF

Modelele în stare solidă pentru cunoscutele cristale HF tăiate cu AT au tendința de a fi legiune. Dar rezultatele nu sunt neapărat cele pe care v-ați aștepta să le aveți. Majoritatea cristalelor esențiale de până la 20 MHZ sunt de obicei alese pentru funcționarea în mod paralel.

Cu toate acestea, acest tip de cristale pot fi utilizate în oscilatoare în mod serie prin poziționarea capacității de sarcină dorite în serie cu cristalul, așa cum sa menționat anterior. Cele două tipuri de circuite sunt discutate mai jos.

Un oscilator bun pentru o gamă de 3 până la 10 MHz care nu necesită un circuit acordat este prezentat în Fig. 8 (a). Este, în mod natural, același circuit ca și Fig.6. Circuitul funcționează extrem de bine până la 1 MHz când C1 și C2 sunt mai mari de 470 pF și respectiv 820 pF. Poate fi utilizat la 15 MHz în cazul în care C1 și C2 scad la 120 pF și 330 pF. respectiv.

Acest circuit este recomandat în scopuri non-critice în care se dorește o ieșire armonică mare sau nu o opțiune. Includerea unui circuit reglat ca în 8b minimizează semnificativ ieșirea armonică.

De obicei se recomandă un circuit reglat cu un Q substanțial. Într-un oscilator de 6 MHz, am obținut rezultatele de mai jos. Având o bobină Q de 50, a doua armonică a fost de 35 dB până la capăt.

Având un Q de 160, fuseseră -50 dB! Rezistorul Rf poate fi modificat (crește puțin) pentru a îmbunătăți acest lucru. Ieșirea este crescută suplimentar folosind o bobină Q mare.

Așa cum s-a observat anterior, cu un feedback redus, este nevoie de câteva zeci de secunde pentru a obține 100% de ieșire de la pornire, chiar și așa, stabilitatea frecvenței este fantastică.

Funcționarea la diferite frecvențe poate fi realizată prin reglarea eficientă a condensatoarelor și a bobinei.

Acest circuit (Fig. 8) ar putea fi, de asemenea, schimbat într-un VXO extrem de util. O inductanță mică este definită în serie cu cristalul și unul dintre condensatorii din circuitul de feedback este utilizat ca tip variabil.

Un condensator comun de reglare a emițătorului de 10-415 pF cu două ganguri va îndeplini sarcina perfect. Fiecare bandă este conectată în paralel.

Gama de reglare este determinată de cristal, inductanța lui L1 și frecvență. O gamă mai mare este în general accesibilă utilizând cristale de frecvență mai mare. Stabilitatea este extrem de bună, apropiindu-se de cea a cristalului.

UN VHF OSCILLATOR-MULTIPLIER

Circuitul din Fig.10 este o versiune modificată a oscilatorului supratonal „inversare impedanță”. De obicei, aplicând circuitul de inversare a impedanței, colectorul este fie dezacordat, fie împământat pentru RF.

Colectorul ar putea fi reglat de două ori sau de 3 ori frecvența cristalului pentru a minimiza ieșirea la frecvența cristalului, se propune un circuit acordat de 2x.

NU TREBUIEȚI NICIODATĂ să reglați colectorul la frecvența cristalului, altfel circuitul poate oscila cu o frecvență care poate fi în afara controlului cristalului. Trebuie să mențineți cablul colectorului foarte mic și unul câte unul cât puteți.

Rezultatele finale folosind acest tip de circuit au fost grozave. Aproape toate ieșirile în afară de ieșirea dorită au fost la -60 dB sau mai mari.

Producția de zgomot atinge cel puțin 70 dB sub puterea dorită. Acest lucru creează un oscilator de conversie remarcabil pentru convertoarele VHF / UHF.

Practic 2 V de RF pot fi obținuți pe terminalul fierbinte al L3 (originalul autorului la 30 MHz). Se recomandă o alimentare reglementată Zener.

După cum sa subliniat în diagramă, diferite valori ale circuitului sunt esențiale pentru diferiți tranzistori. Drepturile în structura specifică ar putea necesita, de asemenea, modificări. L1 poate fi folosit pentru a muta cristalul pe frecvență. Modificări minore ale frecvenței (aproximativ 1 ppm) au loc în timp ce se reglează L2 și L3, precum și se utilizează variații de sarcină. Acestea fiind spuse, în testarea reală, aceste lucruri ar putea fi nesemnificative.