Razumevanje vezij kristalnih oscilatorjev

Osnovne konfiguracije vezja kristalnih oscilatorjev so danes bolj razvite, skoraj vsa vezja so modifikacije splošno priznanih sistemov vakuumskih cevi, kot so oscilator Pierce, Hartley, Clapp in Butler, in delujejo tako z bipolarnimi kot s FET napravami.

Čeprav vsa ta vezja v bistvu izpolnjujejo svoj načrtovani cilj, obstaja veliko aplikacij, ki zahtevajo nekaj povsem drugega ali kjer je treba natančno opisati funkcionalnost.

Spodaj so navedeni številni tokokrogi za različne aplikacije, vse od LF do VHF območja, ki jih običajno ne najdemo v obstoječi amaterski uporabi ali knjigah.

Osnovne tehnike vezja kristalnih oscilatorjev so zdaj že dobro uveljavljene, večina vezij je prilagoditev znane tehnologije vakuumskih cevi, kot so oscilator Pierce, Hartley, Clapp in Butler, in uporabljajo tako bipolarne kot FET naprave.

Čeprav ta vezja v bistvu izpolnjujejo predvideni namen, obstaja veliko aplikacij, ki zahtevajo nekaj drugačnega ali kjer je treba zanesljivo opredeliti zmogljivost.

Tu so predstavljena različna vezja za vrsto aplikacij od LF do VHF območja, ki jih v trenutni ljubiteljski uporabi ali literaturi pogosto ni mogoče najti.

NAČINI DELOVANJA

Točka, ki jo redko vrednotijo ​​ali preprosto spregledajo, je dejstvo, da lahko kvarčni kristali nihajo v vzporednem resonančnem načinu in serijskem resonančnem načinu. Obe frekvenci sta razdeljeni z manjšo razliko, običajno 2-15 kHz v frekvenčnem območju.

Serijska resonančna frekvenca je manjša po frekvenci v primerjavi z vzporedno.

Poseben kristal, zasnovan za uporabo v vzporednem načinu, se lahko ustrezno uporabi v serijskem resonančnem vezju, če je kondenzator, enakovreden po velikosti njegovi natančni nosilnosti (običajno 20,30, 50 ali 100 pF), serijsko pritrjen na kristal.

Na žalost ni mogoče obrniti naloge za serijski resonančni kristal v vezjih vzporednega načina. Kristal serijskega načina bo v svoji situaciji verjetno nihal preko svoje umerjene frekvence in morda ga ne bo mogoče dovolj kapacitivno naložiti.

Overtonski kristali delujejo v serijskem načinu na splošno na tretjem, petem ali sedmem prizvuku, proizvajalec pa običajno kalibrira kristal v frekvenci overtona.

Zagon kristala v vzporednem načinu in trikratno ali petkratno množenje frekvence ustvari precej nov rezultat, tako da deluje popolnoma isti kristal v serijskem načinu na svojem 3. ali 5. prizvoku.

Medtem ko kupujete prizvočne kristale, se izogibajte dilemam in določite želeno frekvenco namesto očitne osnovne frekvence.

Osnovni kristali v območju od 500 kHz do 20 MHz so na splošno zgrajeni za vzporedno delovanje, vendar je mogoče zahtevati delovanje v serijskem načinu.

Za nizkofrekvenčne kristale do 1 MHz je mogoče izbrati kateri koli način. Overtonski kristali običajno pokrivajo območje od 15 MHz do 150 MHz.

OSCILATORJI ŠIROKEGA OBMOČJA ali APERIODIČNI

Oscilatorji, ki nikoli ne uporabljajo uglašenih vezij, so pogosto zelo koristni, bodisi kot „kristalni preverjalci“ ali iz kakršnega koli drugega razloga. Zlasti za LF kristale bi lahko bila uglašena vezja precej velika.

Po drugi strani pa ponavadi niso brez lastnih pasti. Nekaj ​​kristalov je dovzetnih za nihanje v nezaželenih načinih, še posebej rezani kristali DT in CT, namenjeni LF kremenovim oscilatorjem.

Res je dobra ideja, da se prepričate, da je izhod na ustrezni frekvenci in da ni očitna 'nestabilnost načina'. Zmanjšanje povratnih informacij pri višjih frekvencah to običajno reši.

V posebnih primerih lahko na zgornjo teorijo pozabimo in kot alternativo uporabimo oscilator z nastavljenim vezjem (naknadno pregledamo LF kristalne oscilatorje).

Kristalna vezja

Prvo vezje spodaj je oscilator, povezan z oddajnikom, različica Butlerjevega vezja. Izhod vezja na sliki 1 je v osnovi sinusni val, ki zmanjšuje emiterski upor Q2, poveča harmonični izhod.

Kot rezultat, kristal 100 kHz ustvari odlične harmonike prek 30 MHz. To je vezje z zaporednim načinom.

Uporabi se lahko vrsto tranzistorjev. Za kristale nad 3 MHz se priporočajo tranzistorji z visoko produktno pasovno širino. Za kristale v asortimanu od 50 kHz do 500 kHz so prednostni tranzistorji z visokim LF ojačanjem, kot je 2N3565.

Poleg tega je za kristale v tej izbiri dovoljeno odvajanje običajno nižje od 100 mikrovatov in amplitudno omejevanje je lahko nujno.

Predlagana je zmanjšana napajalna napetost v koraku z učinkovitim zagonom. Sprememba vezja z vključitvijo diod, kot je prikazano na sliki 3, je bolj koristna tehnika in povečana učinkovitost zagona.

Vezje bo nihalo pri 10 MHz z uporabo ustreznih vrednosti tranzistorjev in odpornikov oddajnika. Običajno se priporoča sledilnik oddajnika ali medpomnilnik izvornega sledilnika.

Identični komentarji na zgornje se povezujejo s sliko 2. V tem vezju je vgrajen oddajnik sledilnega oddajnika.

Oba vezja sta nekoliko občutljiva na frekvenco in spremembe napetosti ter specifikacije obremenitve. Priporočljiva je obremenitev 1 k ali več.

TTL lC bi lahko kombinirali z vezji kristalnih oscilatorjev, čeprav imajo številna objavljena vezja strašno učinkovitost zagona ali pa se zaradi velikih parametrov v lC ne ponavljajo.

Avtor je preizkusil vezje na sliki 4. v območju od 1 MHz do 18 MHz in ga bo spodbujalo. To je oscilator serijskega načina in pozdravlja kristale AT-cut.

Izhod je približno 3 V od vrha do vrha, kvadratni val do približno 5 MHz, nad katerim se ta pretvori v bolj podobne pol-sinusnim impulzom. Učinkovitost zagona je izjemna, kar se zdi, da je pri oscilatorjih TTL večinoma kritičen dejavnik.

NIZKOFREKVENTNI KRISTALNI OSCILATORJI

Kristali v območju od 50 kHz do 500 kHz zahtevajo posebne dejavnike, ki jih v bolj razširjenih AT ali BT kristalih HF ne opazimo.

Podobna serijska odpornost je veliko večja in njihovo dovoljeno odvajanje je omejeno na manj kot 100 mikrovatov, v idealnem primeru 50 mikrovatov ali manj.

Vezje na sliki 5 je oscilator serijskega načina. Ponuja prednost, da ne potrebujete uglašenega vezja, in ponuja izbiro izhoda sinusnega ali kvadratnega vala. Za kristale s spektrom 50–150 kHz so priporočljivi tranzistorji 2N3565, čeprav se založniku zdi BC107 razumen.

Obe sorti sta lahko primerni za kristale v območju od 150 kHz do 500 kHz. Če menite, da ima kristal velik enakovreden serijski upor, lahko vrednost R1 povečate na 270 ohmov in R2 na 3,3 k.

Za operacije kvadratnih valov je C1 1 uF (ali morda velikost zraven ali večja od njega). Za izhod sinusnega vala C1 ni v tokokrogu.

Nadzor amplitude je odveč. Izhod sinusnega vala je približno 1 V efektivne vrednosti, kvadratni izhod pa približno 4 V od vrha do vrha.

Vezje na sliki 6 je pravzaprav revidiran tip oscilatorja Colpitts, z vključenim uporom Rf za uravnavanje povratnih informacij. Kondenzatorji C1 in C2 je treba zmanjšati s pomočjo izračunanih velikosti, ko se frekvenca povečuje.

Pri 500 kHz morajo biti vrednosti za C1 in C2 približno 100 pF in 1500 pF ustrezno. Veriga, kot je dokazano, ponuja izhod sinusnega vala z uporabo druge harmonike približno 40 dB nižje (ali višje).

To se pogosto zmanjša s skrbnim spreminjanjem Rf in C1. Ne pozabite, da je pri zmanjšani količini povratna informacija bistvena za to, da oscilator potrebuje približno 20 sekund, da doseže polno moč.

Izhod je od 2 do 3 voltov od vrha do vrha. Ko potrebujete izhod, napolnjen s harmoniki, bo to dosegla enostavna vključitev 0,1 uF kondenzatorja preko emiterskega upora. Izhod se nato poveča na približno 5 V od vrha do vrha.

V takih primerih bi lahko zmanjšali napetost napajanja, da bi zmanjšali odvajanje kristalov. Lahko se uporabljajo tudi drugi tranzistorji, čeprav bo morda treba spremeniti pristranskost in povratne informacije. Za kristalne kristale, ki so zasnovani tako, da nihajo v načinih, ki niso tisti, ki bi jih želeli, močno priporočamo vezje s slike 7.

Povratne informacije ureja pipa vzdolž kolektorske obremenitve Q1. Omejevanje amplitude je pomembno za ohranjanje disipacije kristalov znotraj meja. Za kristale 50 kHz mora biti tuljava 2 mH in njen resonančni kondenzator 0,01 uF. Izhod je približno 0,5 V rms, kar je v bistvu sinusni val.

Zelo priporočljiva je uporaba sledilca oddajnika ali medpomnilnika izvornega sledilnika.

V primeru, da se uporablja kristal v vzporednem načinu, je treba kondenzator 1000 pF, ki je zaporedno označen s kristalom, spremeniti v izbrano nosilnost kristala (običajno 30, 50 do 100 pF za te vrste kristalov).

VF KRISTALNI OSCILATORSKI KROGI

Polprevodniški modeli za dobro znane AT-rezane HF kristale so ponavadi legije. Vendar rezultati niso nujno takšni, kot bi lahko pričakovali. Večina bistvenih kristalov do 20 MHz je običajno izbrana za vzporedno delovanje.

Kljub temu se tovrstni kristali lahko uporabljajo v oscilatorjih zaporednega načina, tako da se želeno nosilnost kapacitivno postavi v serijo s kristalom, kot smo že omenili. Dve vrsti vezij so obravnavani spodaj.

Dober oscilator za območje od 3 do 10 MHz, ki ne zahteva uglašenega vezja, je predstavljen na sliki 8 (a). Seveda je enako vezje kot na sliki 6. Vezje deluje izjemno dobro do 1 MHz, kadar sta C1 in C2 višja od 470 pF oziroma 820 pF. Uporabi se lahko na 15 MHz, če se C1 in C2 zmanjšata na 120 pF in 330 pF. oz.

To vezje je priporočljivo za nekritične namene, pri katerih je zaželena velika harmonična moč ali ne. Vključitev uglašenega vezja kot v 8b bistveno zmanjša izhod harmonike.

Običajno se priporoča uglašeno vezje z znatnim Q. V 6 MHz oscilatorju smo dosegli spodnje rezultate. Ob tuljavi Q 50 je bila druga harmonika 35 dB do konca.

Ob Q-ju 160 je bilo -50 dB! Upor Rf bi lahko spremenili (nekoliko povečali), da bi to izboljšali. Izhod se dodatno poveča z visoko Q tuljavo.

Kot smo že omenili, za zmanjšanje povratnih informacij potrebujemo nekaj deset sekund, da dosežemo 100% izhodno moč ob vklopu, kljub temu pa je stabilnost frekvence fantastična.

Delovanje na različnih frekvencah je mogoče doseči z učinkovito nastavitvijo kondenzatorjev in tuljave.

Tudi to vezje (slika 8) bi lahko spremenili v izjemno uporaben VXO. Majhna induktivnost je določena zaporedno s kristalom in eden od kondenzatorjev v povratnem vezju se uporablja kot spremenljiv tip.

Običajni kondenzator za nastavitev oddajnika 10-415 pF bo odlično opravil nalogo. Vsaka tolpa je povezana vzporedno.

Območje uglaševanja določajo kristal, induktivnost L1 in frekvenca. Večji obseg je običajno dostopen z uporabo visokofrekvenčnih kristalov. Stabilnost je izjemno dobra, saj se približuje stabilnosti kristala.

VHF OSCILLATOR-MULTIPLIER

Vezje na sliki 10 je spremenjena različica pretvorniškega oscilatorja, ki obrača impedanco. Običajno je uporaba kolektorja za pretvorbo impedance obrnjena ali ozemljena na RF.

Kolektor bi lahko nastavili na dvakratno ali trikratno kristalno frekvenco, da bi zmanjšali izhod pri kristalni frekvenci, predlaga se 2x uglašeno vezje.

NIKOLI NE SMETE nastaviti kolektorja na kristalno frekvenco, sicer lahko vezje niha s frekvenco, ki morda ni pod nadzorom kristala. Kolektorski vodnik morate vzdrževati zelo majhen in kolikor je mogoče, ena na ena.

Končni rezultati s to vrsto vezja so bili odlični. Skoraj vsi izhodi poleg želenega izhoda so bili pri -60 dB ali več.

Proizvodnja hrupa pri želeni moči doseže vsaj 70 dB. To ustvari izjemen pretvorniški oscilator za VHF / UHF pretvornike.

Na vročem terminalu L3 (avtorski izvirnik pri 30 MHz) lahko dobite praktično 2 V RF. Zeleno regulirana oskrba je močno priporočljiva.

Kot je navedeno v diagramu, so različne vrednosti vezja bistvene za različne tranzistorje. Tudi potepuhi v določeni strukturi bi lahko zahtevali spremembe. L1 se lahko uporablja za frekvenčno premikanje kristala. Manjše frekvenčne spremembe (približno 1 ppm) se zgodijo med prilagajanjem L2 in L3, pa tudi z variacijami obremenitve. Kot rečeno, bi bile te stvari v resničnem testiranju lahko nepomembne.