Inzicht in kristaloscillatorcircuits

Basisconfiguraties van solid-state kristaloscillatorcircuits zijn tegenwoordig meer ontwikkeld, bijna alle circuits zijn modificaties van de algemeen erkende vacuümbuis-systemen zoals de Pierce, Hartley, Clapp en Butler oscillator en werken met zowel bipolaire als FET-apparaten.

Hoewel al deze schakelingen fundamenteel voldoen aan hun beoogde doel, zijn er tal van toepassingen die iets heel anders vereisen of waarvoor de functionaliteit nauwkeurig moet worden beschreven.

Hieronder vindt u een reeks circuits voor een verscheidenheid aan toepassingen, van LF tot en met het VHF-bereik, die doorgaans niet worden gezien in bestaand amateurgebruik of boeken.

De basistechnieken van het halfgeleider-kristaloscillatorcircuit zijn inmiddels goed ingeburgerd, de meeste circuits zijn aanpassingen van de bekende vacuümbuis-technologie zoals de Pierce-, Hartley-, Clapp- en Butler-oscillator en gebruiken zowel bipolaire als FET-apparaten.

Hoewel deze circuits in wezen voldoen aan hun beoogde doel, zijn er veel toepassingen die iets anders vereisen of waarbij de prestaties op betrouwbare wijze moeten worden gekarakteriseerd.

Hier wordt een verscheidenheid aan circuits gepresenteerd, voor een reeks toepassingen van LF tot het VHF-bereik, die niet vaak worden aangetroffen in het huidige amateurgebruik of in de literatuur.

WERKINGSMODI

Een punt dat zelden wordt gewaardeerd, of gewoon over het hoofd wordt gezien, is het feit dat kwartskristallen kunnen oscilleren in een parallelle resonantiemodus en een serie resonantiemodus. De twee frequenties zijn opgesplitst met een klein verschil, meestal 2-15 kHz over het frequentiebereik.

De serie resonantiefrequentie is kleiner in frequentie vergeleken met parallel.

Een specifiek kristal dat is ontworpen voor gebruik in de parallelle modus kan op geschikte wijze worden toegepast in een serie-resonantiekring als een condensator die in grootte gelijk is aan zijn exacte belastingscapaciteit (typisch 20,30, 50 of 100 pF) in serie met het kristal wordt bevestigd.

Helaas is het niet mogelijk om de taak voor serie resonerende kristallen in parallelle moduscircuits om te keren. Het seriemoduskristal zal waarschijnlijk in zijn situatie voorbij zijn gekalibreerde frequentie oscilleren en is misschien niet haalbaar om het capacitief voldoende te belasten.

Boventoonkristallen lopen in de seriemodus over het algemeen op de derde, vijfde of zevende boventoon, en de fabrikant kalibreert het kristal meestal in de boventoonfrequentie.

Een kristal in de parallelle modus laten lopen en de frequentie 3 of 5 keer vermenigvuldigen, genereert een vrij nieuw resultaat door precies hetzelfde kristal in de seriemodus te laten werken op zijn 3e of 5e boventoon.

Blijf bij het kopen van boventoonkristallen uit de buurt van dilemma's en identificeer de frequentie die u zou willen, in plaats van de schijnbare fundamentele frequentie.

Fundamentele kristallen binnen het bereik van 500 kHz tot 20 MHz zijn over het algemeen gebouwd voor parallelle modus, maar seriemodus kan worden gevraagd.

Voor laagfrequente kristallen tot 1 MHz kan elke modus worden gekozen. Boventoonkristallen beslaan normaal het bereik van 15 MHz tot 150 MHz.

BREED BEREIK of APERIODISCHE OSCILLATOREN

Oscillatoren die nooit gebruik maken van afgestemde schakelingen zijn vaak erg handig, hetzij als ‘kristalcheckers’ of om een ​​andere reden. Vooral voor LF-kristallen kunnen afgestemde circuits behoorlijk groot zijn.

Aan de andere kant zijn ze meestal niet zonder hun eigen vallen. Enkele kristallen zijn gevoelig voor oscillatie op ongewenste modi, met name de DT- en CT-geslepen kristallen die bedoeld zijn voor LF-kwartsoscillatoren.

Het is echt een goed idee om ervoor te zorgen dat de output op de juiste frequentie staat en dat er geen 'modusinstabiliteit' is. Het minimaliseren van feedback op de hogere frequenties lost dit meestal op.

In speciale gevallen kan de bovenstaande theorie worden vergeten en kan een oscillator met een afgestemde schakeling als alternatief worden toegepast (LF-kristaloscillatoren worden achteraf besproken).

Kristalcircuits

Het eerste circuit hieronder is een emittergekoppelde oscillator, een variatie op het Butler-circuit. De output van de schakeling in Fig. 1 is in feite een sinusgolf die de emitterweerstand van Q2 verlaagt en de harmonische output verhoogt.

Het resultaat is dat een kristal van 100 kHz uitstekende harmonischen genereert via 30 MHz. Het is een circuit in seriemodus.

Er kan een reeks transistors worden gebruikt. Voor kristallen boven 3 MHz worden transistors met een product met een hoge versterkingsbandbreedte geadviseerd. Voor kristallen binnen het assortiment van 50 kHz tot 500 kHz hebben transistors met een hoge LF-versterking, zoals de 2N3565, de voorkeur.

Bovendien is voor kristallen binnen deze selectie de toegestane dissipatie normaal gesproken lager dan 100 microwatt en kan amplitudebeperking essentieel zijn.

Een verlaagde voedingsspanning, in combinatie met een efficiënte start, wordt aanbevolen. Het veranderen van de schakeling door het opnemen van diodes zoals getoond in Fig. 3 is een gunstiger techniek en het startrendement wordt verbeterd.

De schakeling gaat oscilleren op wel 10 MHz met behulp van geschikte transistors en emitterweerstandswaarden. Een emittervolger of bronvolgerbuffer wordt meestal aanbevolen.

Identieke opmerkingen bij het bovenstaande sluiten aan bij Fig. 2. In dit circuit is een emittervolgerbuffer opgenomen.

De twee circuits zijn enigszins gevoelig voor frequentie en voor variaties in de voedingsspanning en belastingsspecificaties. Een belasting van 1 k of hoger wordt aanbevolen.

TTL lC zou kunnen worden gecombineerd met kristaloscillatorcircuits, hoewel talrijke gepubliceerde circuits een vreselijke startefficiëntie hebben of niet-herhaalbaarheid ervaren vanwege enorme parameters in lC's.

Het circuit in Fig. 4. is door de auteur geëxperimenteerd in het bereik van 1 MHz tot 18 MHz en zal worden aangemoedigd. Dit is een oscillator in seriemodus en vormt een aanvulling op AT-gesneden kristallen.

De output is ongeveer 3 V piek tot piek, blokgolf tot ongeveer 5 MHz waarboven dit verandert in meer vergelijkbaar met halve sinuspulsen. De startefficiëntie is fantastisch, wat vooral een kritische factor lijkt te zijn bij TTL-oscillatoren.

LAGE FREQUENTIE KRISTALOSCILLATOREN

Kristallen binnen het bereik van 50 kHz tot 500 kHz vereisen onderscheidende factoren die niet worden opgemerkt in de meer voorkomende AT- of BT-gesneden HF-kristallen.

De vergelijkbare serieweerstand is veel groter en hun toelaatbare dissipatie is beperkt tot minder dan 100 microwatt, idealiter 50 microwatt of lager.

Het circuit in figuur 5 is een oscillator in seriemodus. Het biedt het voordeel dat er geen afgestemd circuit nodig is, en heeft een keuze uit sinus- of blokgolfuitgang. Voor kristallen binnen het spectrum van 50-150 kHz worden 2N3565-transistors geadviseerd, ook al vindt de uitgever de BC107 redelijk.

Beide varianten kunnen geschikt zijn voor kristallen in het bereik van 150 kHz tot 500 kHz. Als u denkt dat het kristal een grote equivalente serieweerstand bevat, kunt u de waarde van R1 verhogen tot 270 ohm en R2 tot 3,3 k.

Voor blokgolfbewerkingen is C1 1 uF (of misschien een magnitude ernaast of groter dan deze). Voor sinusgolfuitvoer is C1 niet in circuit.

Amplitudecontrole is overbodig. De output van de sinusgolf is ongeveer 1 V rms, de output van de kwadratische golf ongeveer 4 V van piek tot piek.

Het circuit in Fig. 6 is eigenlijk een herzien type van de Colpitts-oscillator, met de opname van weerstand Rf om feedback te regelen. Condensatoren C1 en C2 moeten worden geminimaliseerd door berekende magnitudes naarmate de frequentie wordt verhoogd.

Bij 500 kHz moeten de waarden voor C1 en C2 overeenkomstig ongeveer 100 pF en 1500 pF zijn. Het bewezen circuit biedt sinusgolfuitvoer met behulp van de tweede harmonische ongeveer 40 dB lager (of hoger).

Dit wordt vaak geminimaliseerd door het bewust aanpassen van Rf en C1. Onthoud dat, bij een kleinere hoeveelheid feedback essentieel is om dit te bereiken, het duurt ongeveer 20 seconden voordat de oscillator de volledige output bereikt.

De output is ongeveer 2 tot 3 volt van piek tot piek. Wanneer u een uitgang nodig heeft die is geladen met harmonischen, zal de eenvoudige opname van een 0,1 uF condensator over de emitterweerstand dat bereiken. De output neemt vervolgens toe tot ongeveer 5 V van piek tot piek.

De voedingsspanning kan in dergelijke gevallen worden verlaagd om kristaldissipatie te verminderen. Andere transistors kunnen worden gebruikt, hoewel vooringenomenheid en feedback mogelijk moeten worden aangepast. Voor chagrijnige kristallen die zijn ontworpen om te oscilleren in andere modi dan u zou willen, wordt het circuit van figuur 7 sterk aanbevolen

Feedback wordt geregeld door een tik langs de collectorbelasting van Q1. Amplitudebeperking is belangrijk om de kristaldissipatie binnen de grenzen te houden. Voor 50 kHz kristallen moet de spoel 2 mH zijn en de resonerende condensator 0,01 uF. De output is ongeveer 0,5 V rms, in wezen een sinusgolf.

Het gebruik van een emittervolger of bronvolgerbuffer wordt sterk aanbevolen.

In het geval dat een kristal met parallelle modus wordt gebruikt, moet de condensator van 1000 pF die in serie met het kristal wordt aangegeven, worden gewijzigd in de geselecteerde belastingscapaciteit van het kristal (typisch 30, 50 tot 100 pF voor dit soort kristallen).

HF CRYSTAL OSCILLATOR CIRCUITS

Vaste-stofontwerpen voor de bekende AT-gesneden HF-kristallen zijn meestal legio. Maar resultaten zijn niet noodzakelijk wat u zou verwachten. De meeste essentiële kristallen tot 20 MHZ worden doorgaans gekozen voor parallelle werking.

Desalniettemin kunnen dit soort kristallen worden gebruikt in oscillatoren in seriemodus door de gewenste belastingscapaciteit in serie te plaatsen met het kristal, zoals eerder vermeld. De twee soorten schakelingen worden hieronder besproken.

Een goede oscillator voor een bereik van 3 tot 10 MHz waarvoor geen afgestemde schakeling nodig is, wordt weergegeven in figuur 8 (a). Het is natuurlijk hetzelfde circuit als in figuur 6. De schakeling werkt buitengewoon goed tot 1 MHz wanneer C1 en C2 hoger zijn dan respectievelijk 470 pF en 820 pF. Het kan worden gebruikt tot 15 MHz in het geval dat C1 en C2 worden verlaagd tot 120 pF en 330 pF. respectievelijk.

Dit circuit wordt aanbevolen voor niet-kritische doeleinden waarbij een grote harmonische output gewenst is, of geen optie. De opname van een afgestemde schakeling zoals in 8b minimaliseert de harmonische uitvoer aanzienlijk.

Een afgestemde schakeling met een aanzienlijke Q wordt meestal aanbevolen. In een 6 MHz-oscillator hebben we de onderstaande resultaten bereikt. Met een spoel Q van 50 was de 2e harmonische 35 dB helemaal naar beneden.

Met een Q van 160 was het -50 dB geweest! Weerstand Rf kan worden gewijzigd (een beetje verhogen) om dit te verbeteren. De output wordt extra verhoogd met behulp van een hoge Q-spoel.

Zoals eerder opgemerkt, heeft het met verminderde feedback enkele tientallen seconden nodig om 100% output te bereiken vanaf het inschakelen, maar toch is de frequentiestabiliteit fantastisch.

Het werken op verschillende frequenties kan worden bereikt door de condensatoren en de spoel effectief in te stellen.

Dit circuit (Fig. 8) kan ook worden veranderd in een uiterst nuttige VXO. Een kleine inductantie wordt in serie met het kristal gedefinieerd en een van de condensatoren in het feedbackcircuit wordt gebruikt als een variabel type.

Een gewone tweevoudige 10-415 pF zenderafstemcondensator zal de taak perfect uitvoeren. Elke bendes zijn parallel aangesloten.

Het afstembereik wordt bepaald door het kristal, de inductantie van L1 en de frequentie. Een groter bereik is over het algemeen toegankelijk met behulp van de kristallen met een hogere frequentie. De stabiliteit is buitengewoon goed en komt in de buurt van die van het kristal.

EEN VHF OSCILLATOR-MULTIPLIER

Het circuit in figuur 10 is een aangepaste versie van de 'impedantie-inverterende' boventoonoscillator. Door het toepassen van het impedantie-inverterende circuit is de collector meestal niet afgesteld of geaard voor RF.

De collector kan worden afgestemd op twee keer of drie keer de kristalfrequentie om de output op de kristalfrequentie te minimaliseren, een 2x afgestemde schakeling wordt voorgesteld.

U MOET de collector NOOIT op de kristalfrequentie afstemmen, anders kan het circuit oscilleren met een frequentie die het kristal mogelijk niet onder controle heeft. U moet de verzamellijn zo klein mogelijk houden en één op één zoveel mogelijk.

De eindresultaten met dit type circuit waren geweldig. Vrijwel alle uitgangen behalve de gewenste uitgang waren op -60 dB of hoger.

De geluidsproductie bereikt minimaal 70 dB onder de gewenste output. Dit creëert een uitstekende conversie-oscillator voor VHF / UHF-converters.

Praktisch 2 V RF kan worden verkregen op de hete terminal van L3 (origineel van de auteur op 30 MHz). Een Zener-gereguleerde voeding wordt sterk aanbevolen.

Zoals aangegeven in het diagram, zijn verschillende circuitwaarden essentieel voor verschillende transistors. Afval in een specifieke structuur kan ook aanpassingen vereisen. L1 kan worden gebruikt om het kristal op frequentie te verplaatsen. Kleine wijzigingen in de frequentie (ongeveer 1 ppm) vinden plaats tijdens het aanpassen van L2 en L3 en het gebruik van belastingsvariaties. Dat gezegd hebbende, kunnen deze dingen bij echte tests onbeduidend zijn.