Pochopenie obvodov kryštálového oscilátora

Základné konfigurácie obvodov kryštálového oscilátora v pevnej fáze sú dnes vyvinutejšie, takmer všetky obvody sú modifikáciami všeobecne známych systémov vákuových trubíc, ako sú oscilátory Pierce, Hartley, Clapp a Butler a pracujú s bipolárnymi aj so zariadeniami FET.

Aj keď všetky tieto obvody zásadne spĺňajú svoj navrhnutý cieľ, existuje veľa aplikácií, ktoré volajú po niečom úplne inom, alebo pri ktorých je potrebné presne popísať funkčnosť.

Ďalej je uvedená rada obvodov pre rôzne aplikácie priamo od LF cez rozsah VHF, ktoré v bežných amatérskych použitiach alebo knihách bežne nevidíme.

Základné techniky obvodov kryštálového oscilátora v pevnom stave sú už dobre zavedené, väčšina obvodov predstavuje adaptácie známej technológie vákuových trubíc, ako sú napríklad oscilátor Pierce, Hartley, Clapp a Butler, a používajú bipolárne aj FET zariadenia.

Aj keď tieto obvody v podstate plnia svoj zamýšľaný účel, existuje veľa aplikácií, ktoré vyžadujú niečo iné alebo je potrebné spoľahlivo charakterizovať ich výkon.

Tu uvádzame rôzne obvody pre celý rad aplikácií od LF po VHF, ktoré sa v súčasnosti v amatérskej literatúre ani bežne nenachádzajú.

REŽIMY PREVÁDZKY

Bod, ktorý sa zriedka cení alebo jednoducho prehliada, je skutočnosť, že kryštály kremeňa môžu oscilovať v paralelnom rezonančnom režime a v sériovom rezonančnom režime. Tieto dve frekvencie sú rozdelené s malým rozdielom, zvyčajne 2 - 15 kHz vo frekvenčnom rozsahu.

Sériová rezonančná frekvencia je v porovnaní s paralelnými menšia.

Špecifický kryštál navrhnutý na použitie v paralelnom režime by sa mohol vhodne použiť v sériovom rezonančnom obvode, ak by bol k kryštálu zapojený do série kondenzátor ekvivalentný veľkosti jeho presnej kapacitnej záťaže (typicky 20,30, 50 alebo 100 pF).

Bohužiaľ nie je možné invertovať úlohu pre sériový rezonančný kryštál v obvodoch paralelného režimu. Kryštál sériového režimu bude pravdepodobne v svojej situácii oscilovať nad svoju kalibrovanú frekvenciu a nemusí byť možné ho kapacitne dostatočne načítať.

Kryštály podtextu prebiehajú v sériovom režime spravidla na treťom, piatom alebo siedmom podtóne a výrobca zvyčajne kalibruje kryštál podľa frekvencie podtónu.

Spustenie kryštálu v paralelnom režime a 3 alebo 5 násobné zvýšenie frekvencie generuje skôr nový výsledok tým, že sa v sériovom režime pracuje s rovnakým kryštálom presne po jeho 3. alebo 5. presvetlení.

Pri nákupe podtónových kryštálov sa držte ďalej od dilemy a namiesto zjavnej základnej frekvencie identifikujte požadovanú frekvenciu.

Základné kryštály v rozmedzí 500 kHz až 20 MHz sú zvyčajne vyrobené pre paralelný režim, je však možné požiadať o sériový režim.

Pre nízkofrekvenčné kryštály do 1 MHz sa dal zvoliť jeden z režimov. Kryštály nadvertónu bežne pokrývajú rozsah 15 MHz až 150 MHz.

ŠIROKÝ ROZSAH alebo APERIODICKÉ OSCILÁTORY

Oscilátory, ktoré nikdy nepoužívajú vyladené obvody, sú často veľmi užitočné, či už ako „kontrola kryštálov“ alebo z iného dôvodu. Špeciálne pre kryštály LF môžu byť vyladené obvody dosť obrovské.

Na druhej strane zvyčajne nie sú bez vlastných pascí. Niekoľko kryštálov je náchylných na osciláciu v nežiaducich režimoch, zvlášť rezané kryštály DT a CT určené pre kremenné oscilátory LF.

Je skutočne dobrý nápad uistiť sa, že výstup je na správnej frekvencii a že nie je zjavná žiadna „nestabilita režimu“. Toto obvykle rieši minimalizácia spätnej väzby na vyšších frekvenciách.

V osobitných prípadoch možno na vyššie uvedenú teóriu zabudnúť a ako alternatívu použiť oscilátor s vyladeným obvodom (kryštálové oscilátory LF sú následne preskúmané).

Krištáľové obvody

Prvý obvod uvedený nižšie je oscilátor spojený s emitorom, variácia Butlerovho obvodu. Výstupom obvodu na obr. 1 je v podstate sínusová vlna, znižujúca emitorový odpor Q2 zvyšuje harmonický výstup.

Výsledkom je, že 100 kHz kryštál generuje vynikajúce harmonické cez 30 MHz. Je to obvod sériového režimu.

Môže sa použiť celý rad tranzistorov. Pre kryštály nad 3 MHz sa odporúčajú tranzistory s produktom s vysokou šírkou pásma. Pre kryštály v rozsahu od 50 kHz do 500 kHz sa uprednostňujú tranzistory s vysokým ziskom LF, ako napríklad 2N3565.

Navyše pre kryštály v rámci tejto selekcie je dovolený rozptyl zvyčajne nižší ako 100 mikrowattov a môže byť nevyhnutné obmedzenie amplitúdy.

V kroku s efektívnym spustením sa navrhuje znížené napájacie napätie. Zmena obvodu zapojením diód, ako je znázornené na obrázku 3, je výhodnejšou technikou a účinnosť štartovania sa zvyšuje.

Obvod bude oscilovať až na 10 MHz pomocou vhodných hodnôt tranzistorov a odporov emitora. Zvyčajne sa odporúča sledovač emitorov alebo vyrovnávacia pamäť sledovača zdrojov.

Rovnaké poznámky k vyššie uvedenému sú spojené s obr. 2. V tomto obvode je zabudovaná vyrovnávacia pamäť sledovača emitorov.

Tieto dva obvody sú trochu citlivé na frekvenciu a na zmeny napájacieho napätia a výkonové parametre. Odporúča sa zaťaženie najmenej 1 k.

TTL lC je možné kombinovať s obvodmi kryštálového oscilátora, aj keď mnohé publikované obvody majú strašnú začiatočnú účinnosť alebo majú neopakovateľnosť kvôli obrovským parametrom v lC.

4. Obvod na obr. 4 bol autorom experimentovaný v rozsahu 1 MHz až 18 MHz a bude podporovaný. Toto je oscilátor v sériovom režime a dopĺňa kryštály rezané AT.

Výstup je okolo 3 V špička-špička, štvorcová vlna až do približne 5 MHz, nad ktorou sa to zmení na podobnejšie ako sínusové impulzy. Počiatočná účinnosť je vynikajúca, čo sa pri oscilátoroch TTL zdá byť väčšinou kritickým faktorom.

NÍZKOFREKVENČNÉ KRYSTÁLNE OSCILÁTORY

Kryštály v rozmedzí 50 kHz až 500 kHz vyžadujú charakteristické faktory, ktoré sa neobjavujú v prevládajúcich HF kryštáloch rezaných AT alebo BT.

Podobná sériová rezistencia je oveľa väčšia a ich prípustný rozptyl je obmedzený na menej ako 100 mikrowattov, ideálne na 50 mikrowattov alebo menej.

Obvod na obrázku 5 je oscilátor v sériovom režime. Ponúka výhodu nepotrebovania ladeného obvodu a ponúka výber výstupu sínusového alebo štvorcového vlnenia. Pre kryštály v spektre 50 - 150 kHz sa odporúčajú tranzistory 2N3565, aj keď vydavateľ považuje BC107 za rozumný.

Obe odrody môžu byť adekvátne pre kryštály v rozmedzí od 150 kHz do 500 kHz. Ak si myslíte, že kryštál obsahuje veľký ekvivalentný sériový odpor, môžete zvýšiť hodnotu R1 na 270 ohmov a R2 na 3,3 k.

Pre operácie s obdĺžnikovými vlnami je C1 1 uF (alebo možno o veľkosť vedľa alebo väčšia ako ona). Pre výstup sínusovej vlny nie je C1 v obvode.

Regulácia amplitúdy je zbytočná. Výstup sínusovej vlny je približne 1 V rms, výstup so štvorcovým vzdaním sa okolo 4 V medzi špičkami.

Obvod na obrázku 6 je v skutočnosti upraveným typom Colpittsovho oscilátora so zahrnutím odporu Rf na reguláciu spätnej väzby. Kondenzátory C1 a C2 musia byť minimalizované vypočítanými veľkosťami so zvyšujúcou sa frekvenciou.

Pri 500 kHz musia byť hodnoty pre C1 a C2 zodpovedajúcim spôsobom približne 100 pF a 1 500 pF. Obvod, ako je dokázané, ponúka výstup sínusovej vlny využívajúci druhú harmonickú okolo 40 dB nižšie (alebo vyššie).

To sa často minimalizuje dôsledným doladením Rf a C1. Pamätajte, že pri zníženom množstve je na tento účel nevyhnutná spätná väzba, ktorá vyžaduje asi 20 sekúnd, aby oscilátor dosiahol plný výkon.

Výstup je približne 2 až 3 volty medzi špičkami. Ak potrebujete výstup nabitý harmonickými, dosiahnete to jednoduchým začlenením kondenzátora 0,1 uF cez odpor emitora. Výstup sa následne zvyšuje na približne 5 V medzi špičkami.

V takom prípade je možné znížiť napájacie napätie, aby sa znížil rozptyl kryštálov. Môžu sa použiť aj iné tranzistory, aj keď bude pravdepodobne potrebné vyladiť predpätie a spätnú väzbu. Pre cantankerous kryštály určené na kmitanie v iných režimoch, ako by ste chceli, obvod na obrázku 7 dôrazne naznačoval

Spätná väzba je riadená odbočkou pozdĺž zaťaženia kolektora Q1. Obmedzenie amplitúdy je dôležité na udržanie rozptylu kryštálov vo vnútri hraníc. Pre kryštály 50 kHz musí byť cievka 2 mH a jej rezonančný kondenzátor 0,01 uF. Výstup je približne 0,5 V rms, v podstate sínusová vlna.

Veľmi sa odporúča použitie sledovača emitorov alebo vyrovnávacej pamäte sledovača zdrojov.

V prípade, že sa použije kryštál v paralelnom režime, musí sa kondenzátor 1000 pF označený sériovo s kryštálom zmeniť na zvolenú záťažovú kapacitu kryštálu (typicky 30, 50 až 100 pF pre tieto typy kryštálov).

OBVODY HF CRYSTAL OSCILLATOR

Polovodičové konštrukcie pre známe AT kryštály vysokofrekvenčného žiarenia bývajú légiou. Výsledky však nemusia byť nevyhnutne také, aké by ste očakávali. Pre fungovanie v paralelnom režime je zvyčajne vybraná väčšina základných kryštálov do 20 MHZ.

Napriek tomu sa tento druh kryštálov môže použiť v oscilátoroch sériového režimu umiestnením požadovanej kapacitnej záťaže do série s kryštálmi, ako je uvedené vyššie. Ďalej sú uvedené dva typy obvodov.

Dobrý oscilátor pre rozsah 3 až 10 MHz, ktorý nevyžaduje naladený obvod, je uvedený na obr. 8 (a). Je to prirodzene rovnaký obvod ako na obr.6. Obvod funguje veľmi dobre až do 1 MHz, keď sú hodnoty C1 a C2 vyššie ako 470 pF, respektíve 820 pF. Môže sa využiť na 15 MHz v prípade, že C1 a C2 klesnú na 120 pF a 330 pF. resp.

Tento obvod sa odporúča na nekritické účely, pri ktorých sa vyžaduje vysoký harmonický výstup alebo nie je voliteľnou možnosťou. Zahrnutie ladeného obvodu ako v 8b významne minimalizuje harmonický výstup.

Zvyčajne sa odporúča vyladený obvod s podstatným Q. V 6 MHz oscilátore sme dosiahli nižšie uvedené výsledky. Keď mala cievka Q 50, druhá harmonická bola úplne dole 35 dB.

Pri Q 160 to bolo -50 dB! Rezistor Rf by sa mohol zmeniť (trochu zvýšiť), aby sa to vylepšilo. Výkon sa dodatočne zvyšuje pomocou vysokej Q cievky.

Ako už bolo predtým uvedené, so zníženou spätnou väzbou vyžaduje niekoľko desiatok sekúnd na dosiahnutie 100% výkonu po zapnutí, aj napriek tomu je frekvenčná stabilita fantastická.

Fungovanie na rôznych frekvenciách je možné dosiahnuť efektívnym nastavením kondenzátorov a cievky.

Tento obvod (obr. 8) by sa tiež mohol zmeniť na mimoriadne užitočné VXO. Malá indukčnosť je definovaná v sérii s kryštálom a jeden z kondenzátorov v obvode spätnej väzby sa používa ako premenný typ.

Spoločný dvojkolejový ladiaci kondenzátor vysielača 10-415 pF bude túto úlohu vykonávať perfektne. Každý gang je prepojený paralelne.

Rozsah ladenia je určený kryštálom, indukčnosťou L1 a frekvenciou. Väčší rozsah je všeobecne prístupný pomocou vysokofrekvenčných kryštálov. Stabilita je mimoriadne dobrá, približuje sa k stabilite kryštálu.

NÁSOBIČ VKV OSCILÁTOR-NÁSOBIČ

Obvod na obr. 10 je upravenou verziou overtónového oscilátora „impedančne invertujúceho“. Typicky je použitie impedančného invertujúceho obvodu kolektor buď vyladený, alebo uzemnený pre RF.

Kolektor by mohol byť naladený na dvojnásobok alebo trojnásobok frekvencie kryštálu, aby sa minimalizoval výstup na frekvencii kryštálu, navrhuje sa dvojnásobne naladený obvod.

NIKDY NESMETE NAladiť kolektor na frekvenciu kryštálu, inak môže obvod oscilovať s frekvenciou, ktorá môže byť mimo kontroly kryštálu. Je potrebné, aby ste čo najviac udržiavali veľmi malý a jeden na jednom kolektorový vodič.

Konečné výsledky pri použití tohto typu obvodu boli skvelé. Takmer všetky výstupy, okrem požadovaného, ​​boli na úrovni -60 dB alebo vyššej.

Produkcia šumu dosahuje minimálne 70 dB pri požadovanom výkone. To vytvára vynikajúci konverzný oscilátor pre prevodníky VHF / UHF.

Prakticky 2 V RF je možné získať na horúcej svorke L3 (autorský originál pri 30 MHz). Dôrazne sa odporúča Zenerovo regulované napájanie.

Ako je uvedené v diagrame, pre rôzne tranzistory sú nevyhnutné rôzne hodnoty obvodu. Stray v špecifickej štruktúre môžu tiež vyžadovať úpravy. L1 sa môže použiť na pohyb kryštálu na frekvencii. Drobné úpravy frekvencie (asi 1 ppm) prebiehajú pri nastavovaní L2 a L3, ako aj pri použití zmien zaťaženia. To znamená, že pri skutočnom testovaní môžu byť tieto veci nepodstatné.