Comprensione dei circuiti dell'oscillatore a cristallo

Le configurazioni di base del circuito dell'oscillatore a cristallo a stato solido sono oggi più sviluppate, quasi tutti i circuiti sono modifiche dei sistemi a tubi a vuoto ampiamente riconosciuti come l'oscillatore Pierce, Hartley, Clapp e Butler e funzionano con dispositivi sia bipolari che FET.

Sebbene tutti questi circuiti soddisfino fondamentalmente il loro obiettivo progettato, ci sono molte applicazioni che richiedono qualcosa di completamente diverso o in cui la funzionalità richiede di essere descritta accuratamente.

Di seguito è elencata una gamma di circuiti, per una varietà di applicazioni, dalla gamma LF alla gamma VHF, che non si vedono tipicamente nell'uso amatoriale o nei libri esistenti.

Le tecniche di base dei circuiti dell'oscillatore a cristallo allo stato solido sono ormai ben consolidate, la maggior parte dei circuiti sono adattamenti della ben nota tecnologia del tubo a vuoto come l'oscillatore Pierce, Hartley, Clapp e Butler e utilizzano dispositivi sia bipolari che FET.

Sebbene questi circuiti soddisfino sostanzialmente lo scopo previsto, ci sono molte applicazioni che richiedono qualcosa di diverso o in cui le prestazioni devono essere caratterizzate in modo affidabile.

Qui sono presentati una varietà di circuiti, per una gamma di applicazioni dalla gamma LF alla gamma VHF, che non si trovano comunemente nell'attuale uso amatoriale o nella letteratura.

MODALITÀ DI FUNZIONAMENTO

Un punto raramente valutato, o semplicemente trascurato, è il fatto che i cristalli di quarzo possono oscillare in un modo risonante parallelo e in un modo risonante in serie. Le due frequenze sono suddivise con una piccola differenza, di solito 2-15 kHz sulla gamma di frequenze.

La frequenza di risonanza in serie è inferiore in frequenza rispetto al parallelo.

Un cristallo specifico progettato per l'uso in modalità parallela potrebbe essere applicato in modo appropriato in un circuito risonante in serie se un condensatore di grandezza equivalente alla sua esatta capacità di carico (tipicamente 20,30, 50 o 100 pF) è collegato in serie al cristallo.

Sfortunatamente, non è possibile invertire il compito per il cristallo risonante in serie in circuiti in modalità parallela. Il cristallo in modalità serie oscillerà probabilmente oltre la sua frequenza calibrata nella sua situazione e potrebbe non essere possibile caricarlo sufficientemente in modo capacitivo.

I cristalli di sovratono funzionano in modalità serie generalmente sul terzo, quinto o settimo tono, e il produttore di solito calibra il cristallo nella frequenza del tono.

L'esecuzione di un cristallo in modalità parallela e la moltiplicazione della frequenza 3 o 5 volte genera un risultato piuttosto nuovo operando esattamente lo stesso cristallo nella modalità serie sulla sua 3a o 5a armonica.

Durante l'acquisto di cristalli armonici, stai lontano dal dilemma e identifica la frequenza che desideri, invece dell'apparente frequenza fondamentale.

I cristalli fondamentali nell'intervallo da 500 kHz a 20 MHz sono generalmente costruiti per il funzionamento in modalità parallela, tuttavia potrebbe essere richiesto il funzionamento in serie.

Per cristalli a bassa frequenza fino a 1 MHz, è possibile scegliere una delle due modalità. I cristalli sovrastanti normalmente coprono la gamma da 15 MHz a 150 MHz.

OSCILLATORI AMPIA GAMMA o APERIODICI

Gli oscillatori che non fanno mai uso di circuiti sintonizzati sono spesso molto utili, sia come 'controllori di cristallo' o per qualsiasi altra ragione. Soprattutto per i cristalli LF, i circuiti sintonizzati potrebbero essere piuttosto enormi.

D'altra parte, di solito non sono privi di trappole. Alcuni cristalli sono suscettibili di oscillazione in modalità indesiderate, specialmente i cristalli tagliati DT e CT destinati agli oscillatori al quarzo LF.

È davvero una buona idea assicurarsi che l'uscita sia sulla frequenza corretta e che non sia evidente alcuna 'instabilità di modo'. Ridurre al minimo il feedback alle frequenze più alte risolve comunemente questo problema.

In casi speciali, la teoria di cui sopra può essere dimenticata e un oscillatore che possiede un circuito sintonizzato applicato come alternativa, (gli oscillatori a cristallo LF vengono esaminati in seguito).

Circuiti di cristallo

Il primo circuito sotto è un oscillatore accoppiato ad un emettitore, una variazione del circuito di Butler. L'uscita del circuito in Fig. 1 è fondamentalmente un'onda sinusoidale, diminuendo il resistore di emettitore di Q2 aumenta l'uscita armonica.

Di conseguenza, un cristallo da 100 kHz genera armoniche eccellenti tramite 30 MHz. È un circuito in modalità serie.

È possibile impiegare una gamma di transistor. Per cristalli superiori a 3 MHz, si consigliano transistor con un prodotto con larghezza di banda ad alto guadagno. Per i cristalli all'interno dell'assortimento da 50 kHz a 500 kHz, sono preferiti transistor con alto guadagno LF, come il 2N3565.

Inoltre, per i cristalli all'interno di questa selezione, la dissipazione ammissibile è normalmente inferiore a 100 microwatt e la limitazione dell'ampiezza potrebbe essere essenziale.

Si consiglia una tensione di alimentazione ridotta, di pari passo con un avviamento efficiente. La modifica del circuito tramite l'inclusione di diodi come mostrato in Fig. 3 è una tecnica più vantaggiosa e l'efficienza di avviamento è migliorata.

Il circuito oscillerà fino a 10 MHz utilizzando transistor adatti e valori di resistenza dell'emettitore. Di solito è consigliato un emitter follower o source follower buffer.

Commenti identici a quanto sopra si collegano alla Fig. 2. Un buffer inseguitore di emettitore è incorporato in questo circuito.

I due circuiti sono in qualche modo sensibili alla frequenza e alle variazioni della tensione di alimentazione e alle specifiche di carico. Si consiglia un carico di 1 ko superiore.

TTL lC potrebbe essere combinato con circuiti oscillatori a cristallo sebbene numerosi circuiti pubblicati possiedano una pessima efficienza di avviamento o sperimentino una non ripetibilità a causa di vasti parametri in lC.

Il circuito in Fig. 4. è stato sperimentato dall'autore nella gamma da 1 MHz a 18MHz e sarà incoraggiato. Questo è un oscillatore in modalità serie e complimenta i cristalli tagliati AT.

L'uscita è di circa 3 V picco-picco, onda quadra fino a circa 5 MHz al di sopra della quale si trasforma in impulsi semisinusoidali più simili. L'efficienza di avviamento è superba, il che sembra essere per lo più un fattore critico con gli oscillatori TTL.

OSCILLATORI A BASSA FREQUENZA IN CRISTALLO

I cristalli nell'intervallo compreso tra 50 kHz e 500 kHz richiedono fattori distintivi non individuati nei cristalli HF tagliati AT o BT più diffusi.

La resistenza in serie simile è molto più grande e la loro dissipazione consentita è limitata a meno di 100 microwatt, idealmente 50 microwatt o inferiore.

Il circuito in Fig. 5 è un oscillatore in modalità serie. Offre il vantaggio di non aver bisogno di un circuito sintonizzato e offre una scelta di uscita sinusoidale o quadra. Per i cristalli nello spettro di 50-150 kHz, si consigliano i transistor 2N3565 anche se l'editore ritiene ragionevole il BC107.

Entrambe le varietà possono essere adeguate per cristalli nell'intervallo compreso tra 150 kHz e 500 kHz. Se pensi che il cristallo includa una grande resistenza in serie equivalente, puoi aumentare il valore di R1 a 270 ohm e R2 a 3,3 k.

Per le operazioni ad onda quadra, C1 è 1 uF (o forse una magnitudine accanto, o più grande di essa). Per l'uscita sinusoidale, C1 non è in circuito.

Il controllo dell'ampiezza è inutile. L'uscita dell'onda sinusoidale è di circa 1 V rms, l'uscita quadrata di circa 4 V da picco a picco.

Il circuito in Fig. 6 è in realtà un tipo rivisto dell'oscillatore Colpitts, con l'inclusione del resistore Rf per regolare il feedback. I condensatori C1 e C2 devono essere ridotti al minimo mediante magnitudini calcolate all'aumentare della frequenza.

A 500 kHz, i valori per C1 e C2 devono corrispondere a circa 100 pF e 1500 pF. Il circuito, come dimostrato, offre un'uscita sinusoidale utilizzando la seconda armonica di circa 40 dB inferiore (o superiore).

Questo è spesso ridotto al minimo attraverso la regolazione consapevole di Rf e C1. Ricorda che, alla quantità ridotta, un feedback è essenziale per ottenere ciò, occorrono circa 20 secondi affinché l'oscillatore raggiunga la piena potenza.

L'uscita è di circa 2-3 volt da picco a picco. Quando hai bisogno di un'uscita caricata con armoniche, la facile inclusione di un condensatore da 0,1 uF sul resistore dell'emettitore lo farà. L'uscita aumenta successivamente a circa 5 V da picco a picco.

In questi casi, la tensione di alimentazione potrebbe essere ridotta per ridurre la dissipazione dei cristalli. È possibile utilizzare altri transistor, sebbene potrebbe essere necessario modificare il bias e il feedback. Per i cristalli irascibili progettati per oscillare in modi diversi da quelli desiderati, il circuito di Fig.7 è fortemente suggerito

Il feedback è governato da un tocco lungo il carico del collettore di Q1. La limitazione dell'ampiezza è importante per mantenere la dissipazione dei cristalli all'interno dei confini. Per i cristalli a 50 kHz, la bobina deve essere di 2 mH e il suo condensatore di risonanza 0,01 uF. L'uscita è di circa 0,5 V rms, fondamentalmente un'onda sinusoidale.

Si consiglia vivamente l'utilizzo di un emitter follower o di un buffer source follower.

Nel caso in cui venga utilizzato un cristallo in modalità parallela, il condensatore da 1000 pF indicato in serie con il cristallo deve essere cambiato con la capacità di carico selezionata del cristallo (tipicamente 30, da 50 a 100 pF per questi tipi di cristalli).

CIRCUITI OSCILLATORI IN CRISTALLO HF

I design a stato solido per i ben noti cristalli HF con taglio AT tendono ad essere una moltitudine. Ma i risultati non sono necessariamente quelli che potresti aspettarti di avere. La maggior parte dei cristalli essenziali fino a 20 MHZ sono tipicamente scelti per il funzionamento in modalità parallela.

Tuttavia, questo tipo di cristalli può essere utilizzato in oscillatori in modalità serie posizionando la capacità di carico desiderata in serie con il cristallo come affermato in precedenza. I due tipi di circuito sono discussi di seguito.

Un buon oscillatore per una gamma da 3 a 10 MHz che non richiede un circuito sintonizzato è presentato in Fig. 8 (a). Naturalmente è lo stesso circuito della Fig.6. Il circuito funziona estremamente bene fino a 1 MHz quando C1 e C2 sono rispettivamente superiori a 470 pF e 820 pF. Può essere utilizzato a 15 MHz nel caso in cui C1 e C2 vengano ridotti a 120 pF e 330 pF. rispettivamente.

Questo circuito è consigliato per scopi non critici in cui si desidera una grande uscita armonica o non è un'opzione. L'inclusione di un circuito sintonizzato come in 8b riduce al minimo l'uscita armonica in modo significativo.

Di solito si consiglia un circuito sintonizzato con un Q sostanziale. In un oscillatore da 6 MHz, abbiamo ottenuto i risultati seguenti. Avendo una bobina Q di 50, la seconda armonica era di 35 dB fino in fondo.

Avendo un Q di 160, era stato di -50 dB! Il resistore Rf potrebbe essere modificato (aumentare un po ') per migliorarlo. L'uscita viene inoltre aumentata utilizzando una bobina ad alto Q.

Come osservato in precedenza, con un feedback ridotto sono necessarie diverse decine di secondi per ottenere il 100% di uscita dall'accensione, anche se la stabilità della frequenza è fantastica.

Il funzionamento a frequenze diverse può essere ottenuto regolando efficacemente i condensatori e la bobina.

Questo circuito (Fig. 8) potrebbe anche essere cambiato in un VXO estremamente utile. Una piccola induttanza è definita in serie con il cristallo e uno dei condensatori all'interno del circuito di feedback viene utilizzato come un tipo variabile.

Un comune condensatore di sintonia del trasmettitore da 10-415 pF a due gang eseguirà perfettamente il compito. Ciascuna banda è collegata in parallelo.

La gamma di sintonia è determinata dal cristallo, dall'induttanza di L1 e dalla frequenza. Una gamma più ampia è generalmente accessibile utilizzando i cristalli a frequenza più alta. La stabilità è estremamente buona, avvicinandosi a quella del cristallo.

UN MOLTIPLICATORE OSCILLATORE VHF

Il circuito in Fig.10 è una versione modificata dell'oscillatore armonico 'inversione di impedenza'. Tipicamente, applicando il circuito di inversione dell'impedenza il collettore è o non sintonizzato o messo a terra per RF.

Il collettore potrebbe essere sintonizzato su due o 3 volte la frequenza del cristallo per ridurre al minimo l'uscita alla frequenza del cristallo, viene proposto un circuito sintonizzato 2x.

NON DOVRESTE MAI sintonizzare il collettore sulla frequenza del cristallo, altrimenti il ​​circuito potrebbe oscillare con una frequenza che potrebbe essere fuori dal controllo del cristallo. È necessario mantenere il piombo del collettore molto piccolo e uno contro uno il più possibile.

I risultati finali utilizzando questo tipo di circuito sono stati ottimi. Quasi tutte le uscite oltre all'uscita desiderata erano a -60 dB o più.

La produzione di rumore raggiunge almeno 70 dB al di sotto dell'uscita desiderata. Questo crea un eccezionale oscillatore di conversione per convertitori VHF / UHF.

Praticamente 2 V di RF possono essere ottenuti sul terminale caldo di L3 (originale dell'autore a 30 MHz). Si raccomanda vivamente una fornitura regolamentata Zener.

Come sottolineato nello schema, vari valori di circuito sono essenziali per vari transistor. Anche i randagi in una struttura specifica potrebbero richiedere modifiche. L1 può essere utilizzato per spostare il cristallo sulla frequenza. Piccole modifiche nella frequenza (circa 1 ppm) si verificano durante la regolazione di L2 e L3 e durante l'uso delle variazioni di carico. Detto questo, nei test reali, queste cose potrebbero essere insignificanti.