Разбиране на веригите на кристалните осцилатори

Основните конфигурации на кристални осцилаторни кристали в днешно време са по-развити, като почти всички вериги са модификации на широко признатите вакуумни тръбни системи като осцилаторите Pierce, Hartley, Clapp и Butler и работят както с биполярни, така и с FET устройства.

Въпреки че всички тези схеми отговарят основно на предназначената си цел, има много приложения, които изискват нещо съвсем различно или където функционалността изисква да бъде точно описана.

По-долу са изброени редица вериги за различни приложения точно от LF до VHF гамата, които обикновено не се срещат в съществуващите любителски приложения или книги.

Основните техники на твърдотелни кристални осцилатори вече са добре установени, като повечето вериги са адаптация на добре познатата технология на вакуумни тръби като осцилатора Pierce, Hartley, Clapp и Butler и използват както биполярни, така и FET устройства.

Докато тези схеми изпълняват основно предназначението си, има много приложения, които изискват нещо различно или където производителността трябва да бъде надеждно характеризирана.

Тук са представени различни схеми, за редица приложения от LF до VHF диапазон, които не са често срещани в настоящата аматьорска употреба или литература.

НАЧИНИ НА РАБОТА

Точка, която рядко се оценява или просто се пренебрегва, е фактът, че кварцовите кристали могат да трептят в паралелен резонансен режим и сериен резонансен режим. Двете честоти са разделени с малка разлика, обикновено 2-15 kHz в честотния диапазон.

Последователната резонансна честота е по-малка по честота в сравнение с паралелната.

Специфичен кристал, проектиран за използване в паралелен режим, може да бъде подходящо приложен в последователна резонансна верига, ако кондензатор, еквивалентен по големина на точния си капацитет на натоварване (обикновено 20,30, 50 или 100 pF), е прикрепен последователно към кристала.

За съжаление не е възможно да се обърне задачата за серийни резонансни кристали в схеми на паралелен режим. Кристалът на серийния режим вероятно ще се колебае над калибрираната си честота в неговата ситуация и може да не е възможно капацитивно да го зареди достатъчно.

Кристалите на обертона се изпълняват в сериен режим обикновено на третия, петия или седмия обертон и производителят обикновено калибрира кристала в честотата на обертона.

Пускането на кристал в паралелен режим и умножаването на честотата 3 или 5 пъти генерира по-скоро нов резултат, като работи точно същия кристал в серийния режим при неговия 3-ти или 5-ти оттенък.

Докато купувате обертонови кристали, стойте далеч от дилемата и идентифицирайте честотата, която искате, вместо очевидната основна честота.

Основните кристали в диапазона от 500 kHz до 20 MHz обикновено са изградени за функциониране в паралелен режим, но може да се поиска работа в сериен режим.

За нискочестотни кристали до 1 MHz може да бъде избран всеки режим. Кристалите обертон обикновено покриват диапазона от 15 MHz до 150 MHz.

Широк обхват или апериодични осцилатори

Осцилаторите, които никога не използват настроени вериги, често са много полезни, независимо дали като „кристални шашки“ или друга причина. Особено за LF кристали, настроените вериги могат да бъдат доста огромни.

От друга страна, те обикновено не са без собствените си капани. Няколко кристала са податливи на трептене в нежелани режими, особено кристалите DT и CT, отрязани, предназначени за LF кварцови осцилатори.

Наистина е добра идея да се уверите, че изходът е на правилната честота и не е очевидна „нестабилност на режима“. Минимизирането на обратната връзка при по-високите честоти обикновено решава това.

В специални случаи горната теория може да бъде забравена и осцилатор, притежаващ настроена верига, приложен като алтернатива, (LF кристални осцилатори се преглеждат след това).

Кристални вериги

Първата схема по-долу е свързана с емитер осцилатор, вариация на веригата на Бътлър. Изходът на веригата на фиг. 1 е основно синусоида, намаляваща емитерния резистор на Q2 повишава хармоничния изход.

В резултат на това кристал от 100 kHz генерира отлични хармоници чрез 30 MHz. Това е верига за сериен режим.

Може да се използва набор от транзистори. За кристали над 3 MHz се препоръчват транзистори с продукт с висока честотна лента. За кристали в асортимента от 50 kHz до 500 kHz се предпочитат транзистори с висока LF печалба, като 2N3565.

Освен това, за кристалите в тази селекция, допустимото разсейване обикновено е по-ниско от 100 микровата и ограничаването на амплитудата може да бъде от съществено значение.

Препоръчва се намалено захранващо напрежение, в стъпка с ефективно стартиране. Промяната на веригата чрез включване на диоди, както е показано на фиг. 3, е по-полезна техника и ефективността на стартиране е подобрена.

Веригата ще трепне до 10 MHz, използвайки подходящи транзистори и стойности на резистора на емитер. Обикновено се препоръчва последовател на излъчвател или буфер на последовател на източника.

Идентични коментари по-горе се свързват с фиг. 2. В тази верига е включен буфер на последовател на емитер.

Двете вериги са до известна степен чувствителни към честотата и към вариациите на мощността и спецификациите на натоварване. Препоръчва се натоварване от 1 k или повече.

TTL lC може да се комбинира с вериги на кристални осцилатори, въпреки че многобройни публикувани схеми притежават ужасна ефективност при стартиране или изпитват неповторяемост поради огромни параметри в lC ,.

Схемата на фиг. 4. е експериментирана от автора в диапазона от 1 MHz до 18MHz и ще бъде насърчавана. Това е осцилатор в сериен режим и допълва кристалите с AT-cut.

Изходът е около 3 V пик до пик, квадратна вълна до около 5 MHz, над която това се превръща в по-подобни на полусинусоидални импулси. Ефективността при стартиране е превъзходна, което изглежда най-вече критичен фактор при TTL осцилаторите.

НИСКО ЧЕСТОТНИ КРИСТАЛНИ ОСЦИЛАТОРИ

Кристалите в диапазона от 50 kHz до 500 kHz изискват отличителни фактори, които не са забелязани в по-разпространените високо или високочестотни кристали на AT или BT.

Подобното серийно съпротивление е много по-голямо и допустимото им разсейване е ограничено до под 100 микровата, в идеалния случай - 50 микровата или по-ниско.

Схемата на фиг. 5 е осцилатор с последователен режим. Той предлага предимството да не се нуждаете от настроена верига и разполага с избор на изход на синусоида или квадратна вълна. За кристали в спектъра от 50-150 kHz се препоръчват транзистори 2N3565, въпреки че издателят намира BC107 за разумен.

И двата вида могат да бъдат подходящи за кристали в диапазона от 150 kHz до 500 kHz. Ако смятате, че кристалът включва голямо еквивалентно серийно съпротивление, тогава можете да увеличите стойността на R1 до 270 ома и R2 до 3,3 k.

За операции с квадратни вълни C1 е 1 uF (или може би величина заедно или по-голяма от него). За изход на синусоида C1 не е във верига.

Контролът на амплитудата е излишен. Изходът на синусоида е приблизително 1 V rms, квадратен изходен сигнал около 4 V пик до пик.

Схемата на фиг. 6 всъщност е преработен тип на осцилатора на Colpitts, с включване на резистор Rf за регулиране на обратната връзка. Кондензаторите C1 и C2 трябва да бъдат сведени до минимум чрез изчислени величини, тъй като честотата се увеличава.

При 500 kHz стойностите за C1 и C2 трябва да бъдат приблизително 100 pF и 1500 pF съответно. Доказаната схема предлага изход на синусоида, използвайки втората хармоника с около 40 dB по-ниска (или по-висока).

Това често се свежда до минимум чрез внимателно ощипване на Rf и C1. Не забравяйте, че при намалено количество обратната връзка е от съществено значение за постигането на това, за осцилатора са необходими около 20 секунди, за да постигне пълна мощност.

Изходът е около 2 до 3 волта от връх до връх. Когато се нуждаете от изход, натоварен с хармоници, лесното включване на кондензатор от 0,1 uF върху резистора на емитера ще постигне това. Впоследствие изходът се увеличава до около 5 V пик до пик.

В такива случаи захранващото напрежение може да бъде намалено, за да се намали разсейването на кристалите. Могат да се използват и други транзистори, въпреки че може да се наложи да се коригират пристрастия и обратна връзка. За кристални кристали, проектирани да трептят в режими, различни от тези, които бихте искали, схемата от Фиг.7 силно се препоръчва

Обратната връзка се управлява от крана по натоварването на колектора Q1. Ограничаването на амплитудата е важно за поддържане на разсейването на кристалите вътре в границите. За 50 kHz кристали намотката трябва да бъде 2 mH и нейният резониращ кондензатор 0,01 uF. Изходът е приблизително 0,5 V rms, по същество синусоида.

Силно препоръчително е използването на излъчващ последовател или буфер на последващ източник.

В случай, че се използва кристал в паралелен режим, кондензаторът от 1000 pF, посочен последователно с кристала, трябва да бъде променен на избрания капацитет на натоварване на кристала (обикновено 30, 50 до 100 pF за тези видове кристали).

ВЧ КРИСТАЛНИ ОСЦИЛАТОРНИ КРЪГОВЕ

Конструкциите в твърдо състояние за добре познатите AT-отрязани HF кристали са склонни да бъдат легион. Но резултатите не са непременно това, което може да очаквате да имате. По-голямата част от основни кристали до 20 MHZ обикновено се избират за паралелен режим на функциониране.

Независимо от това, този вид кристали могат да се използват в осцилатори в последователен режим чрез позициониране на желания капацитет на натоварване последователно с кристала, както беше посочено по-рано. Двата типа вериги са разгледани по-долу.

Добър осцилатор за диапазон от 3 до 10 MHz, който не изисква настроена верига, е представен на фиг. 8 (а). Естествено е същата схема като фиг.6. Веригата работи изключително добре до 1 MHz, когато C1 и C2 са по-високи от 470 pF и 820 pF съответно. Може да се използва до 15 MHz в случай, че C1 и C2 са намалени до 120 pF и 330 pF. съответно.

Тази схема се препоръчва за некритични цели, при които се желае голям хармоничен изход или не е опция. Включването на настроена схема като в 8b минимизира значително хармоничния изход.

Обикновено се препоръчва настроена верига със значително Q. В 6 MHz осцилатор постигнахме следните резултати. При намотка Q от 50 втората хармоника беше 35 dB по целия път.

Имайки Q от 160, беше -50 dB! Резисторът Rf може да бъде променен (да се увеличи малко), за да се подобри това. Изходът се повишава допълнително с помощта на бобина с висока Q.

Както беше отбелязано по-рано, при намалена обратна връзка са необходими няколко десетки секунди, за да се постигне 100% изход при включване, въпреки това стабилността на честотата е фантастична.

Функционирането при различни честоти може да се постигне чрез ефективно регулиране на кондензаторите и намотката.

Тази схема (фиг. 8) също може да бъде променена в изключително полезен VXO. Малка индуктивност се определя последователно с кристала и един от кондензаторите в схемата за обратна връзка се използва като променлив тип.

Обикновеният кондензатор за настройка на трансмитер с две групи 10-415 pF ще изпълни перфектно задачата. Всяка банда е свързана паралелно.

Обхватът на настройка се определя от кристала, индуктивността на L1 и честотата. По-голям обхват обикновено е достъпен, като се използват кристалите с по-висока честота. Стабилността е изключително добра, като се доближава до тази на кристала.

УКВ осцилатор-мултипликатор

Схемата на фиг.10 е модифицирана версия на обертонов осцилатор „инвертиращ импеданс“. Обикновено, прилагайки импедансната инвертираща верига, колекторът е или настроен или заземен за RF.

Колекторът може да бъде настроен на два пъти или 3 пъти на кристалната честота, за да се сведе до минимум изходът на кристалната честота, предлага се двунастроена верига.

НИКОГА НЕ ТРЯБВА да настройвате колектора на кристалната честота, иначе веригата може да трепне с честота, която може да е извън контрола на кристала. Трябва да поддържате оловото на колектора много малко и колкото е възможно едно към едно.

Крайните резултати, използващи този тип верига, бяха страхотни. Почти всички изходи освен желания изход бяха при -60 dB или по-високи.

Производството на шум достига най-малко 70 dB при желаната мощност. Това създава изключителен преобразуващ генератор за VHF / UHF преобразуватели.

Практически 2 V RF могат да бъдат получени на горещия терминал на L3 (оригинал на автора на 30 MHz). Настоятелно се препоръчва регулиране на Zener.

Както е посочено в диаграмата, различните стойности на веригата са от съществено значение за различните транзистори. Бездомните в специфична структура също могат да изискват модификации. L1 може да се използва за преместване на кристала по честота. Незначителни модификации в честотата (около 1 ppm) се извършват по време на регулиране на L2 и L3, както и при използване на вариации на товара. Като каза, че при реално тестване тези неща могат да бъдат незначителни.