Forstå Crystal Oscillator Circuits

Prøv Instrumentet Vårt For Å Eliminere Problemer





Grunnleggende solid state-krystalloscillatorkretskonfigurasjoner er i dag mer utviklet, nesten alle kretser er modifikasjoner av de anerkjente vakuumrørsystemene som Pierce, Hartley, Clapp og Butler-oscillatoren og fungerer med både bipolare og FET-enheter.

Selv om alle disse kretsene i utgangspunktet oppfyller sitt designede mål, er det mange applikasjoner som krever noe helt annet, eller der funksjonalitet må beskrives nøyaktig.



Nedenfor er en rekke kretsløp, for en rekke applikasjoner rett fra LF gjennom VHF-serien, som vanligvis ikke sees i eksisterende amatørbruk eller bøker.

Grunnleggende solid state krystalloscillatorkretsteknikker er nå godt etablert, de fleste kretser er tilpasninger av den velkjente vakuumrørteknologien som Pierce, Hartley, Clapp og Butler oscillator og bruker både bipolare og FET-enheter.



Selv om disse kretsene i utgangspunktet oppfyller sitt tiltenkte formål, er det mange applikasjoner som krever noe annet eller der ytelsen må karakteriseres pålitelig.

Her presenteres en rekke kretser, for en rekke applikasjoner fra LF gjennom VHF-serien, som ikke ofte finnes i dagens amatørbruk eller litteratur.

DRIFTSMETODER

Et poeng som sjelden verdsettes, eller rett og slett overses, er det faktum at kvartskrystaller kan svinge i en parallell resonansmodus og en serieresonansmodus. De to frekvensene er delt opp med en liten forskjell, vanligvis 2-15 kHz over frekvensområdet.

Serieresonansfrekvensen er mindre i frekvens sammenlignet med parallell.

En spesifikk krystall designet for bruk i parallellmodus kan påføres riktig i en serieresonanskrets hvis en kondensator som er like stor som dens nøyaktige lastekapasitans (vanligvis 20,30, 50 eller 100 pF) er festet i serie med krystallet.

Dessverre er det ikke mulig å invertere oppgaven for serieresonant krystall i parallellmoduskretser. Seriemoduskrystallet vil sannsynligvis svinge utover den kalibrerte frekvensen i sin situasjon og er kanskje ikke mulig å kapasitivt laste den ned nok.

periodisk butlerkrets

Overtonekrystaller kjøres i seriemodus generelt på tredje, femte eller syvende overtone, og produsenten kalibrerer vanligvis krystallet i overtonefrekvensen.

Å kjøre en krystall i parallellmodus og multiplisere frekvensen 3 eller 5 ganger, genererer ganske nytt resultat ved å operere nøyaktig den samme krystallen i seriemodus på 3. eller 5. overtone.

Mens du kjøper overtone krystaller, hold deg unna dilemmaet og identifiser frekvensen du vil ha, i stedet for den tilsynelatende grunnfrekvensen.

Fundamentale krystaller i området 500 kHz til 20 MHz er vanligvis bygget for å fungere parallelt, men man kan be om seriemodus.

For lavfrekvente krystaller opp til 1 MHz kan begge modusene velges. Overtonekrystaller dekker normalt området 15 MHz til 150 MHz.

BREDT OMRÅDE eller APERIODISKE OSCILLATORER

Oscillatorer som aldri benytter seg av innstilte kretser, er ofte veldig nyttige, enten det er som 'crystal checkers' eller en annen grunn. Spesielt for LF-krystaller kan innstilte kretser være ganske store.

På den annen side er de vanligvis ikke uten sine egne feller. Noen få krystaller er utsatt for svingning i uønskede moduser, spesielt DT- og CT-kuttede krystaller beregnet på LF-kvartsoscillatorer.

Det er virkelig en god ide å sørge for at utgangen er på riktig frekvens og at det ikke er tydelig noe ustabil modus. Å minimere tilbakemeldinger ved høyere frekvenser løser ofte dette.

I spesielle tilfeller kan ovennevnte teori glemmes og en oscillator som har en innstilt krets brukes som et alternativ (LF-krystalloscillatorer blir gjennomgått etterpå).

Krystallkretser

Den første kretsen nedenfor er en emitterkoblet oscillator, en variant av Butler-kretsen. Utgangen fra kretsen i fig. 1 er i utgangspunktet sinusbølge som reduserer emittermotstanden til Q2, øker den harmoniske utgangen.

Som et resultat genererer en 100 kHz krystall utmerkede overtoner via 30 MHz. Det er en seriemoduskrets.

En rekke transistorer kan benyttes. For krystaller over 3 MHz anbefales transistorer med høy forsterkningsbåndbredde. For krystaller innen 50 kHz til 500 kHz-sortimentet foretrekkes transistorer med høy LF-forsterkning, som 2N3565.

I tillegg, for krystaller innenfor dette valget, er tillatt spredning normalt lavere enn 100 mikrowatt, og amplitudebegrensning kan være viktig.

Redusert forsyningsspenning, i takt med effektiv oppstart, foreslås. Å endre kretsen gjennom inkludering av dioder som vist i figur 3 er en mer fordelaktig teknikk, og starteffektiviteten forbedres.

Kretsen skal svinge ved så høyt som 10 MHz ved bruk av egnede transistorer og emittermotstandsverdier. En emitterfølger eller kildefølgerbuffer anbefales vanligvis.

Identiske kommentarer til ovenstående knytter seg til fig. 2. En emitterfølgerbuffer er innlemmet i denne kretsen.

De to kretsene er noe følsomme for frekvens og for spenningsvariasjoner og belastningsspesifikasjoner. En belastning på 1 k eller høyere anbefales.

emitter koblet oscillator serie modus krets


TTL lC kan kombineres med krystalloscillatorkretser, selv om mange publiserte kretser har forferdelig starteffektivitet eller opplever ikke-repeterbarhet på grunn av store parametere i lC.

Kretsen i figur 4. er eksperimentert med av forfatteren i området 1 MHz til 18 MHz og vil bli oppmuntret. Dette er en seriemodusoscillator og komplimenterer AT-kutte krystaller.

TTL krystalloscillator

Utgangen er rundt 3 V topp til topp, firkantbølge opp til omtrent 5 MHz over hvilken dette blir mer lik halv-sinuspulser. Starteffektivitet er ypperlig, noe som ser ut til å være stort sett en kritisk faktor med TTL-oscillatorer.

LAVFREKVENS KRYSTALOVERVENDIGERE

Krystaller innenfor området 50 kHz til 500 kHz krever særegne faktorer som ikke er oppdaget i de mer utbredte AT- eller BT-kuttede HF-krystallene.

Den lignende seriemotstanden er mye større, og den tillatte spredningen er begrenset til under 100 mikrowatt, ideelt sett 50 mikrowatt eller lavere.

Kretsen på fig. 5 er en seriemodusoscillator. Det gir fordelen ved ikke å trenge en innstilt krets, og har et utvalg av sinus- eller firkantbølgefunksjon. For krystaller innenfor spekteret 50-150 kHz anbefales 2N3565-transistorer selv om utgiveren finner BC107 rimelig.

Både variasjonen kan være tilstrekkelig for krystaller i området 150 kHz til 500 kHz. Hvis du tror at krystallet har en stor ekvivalent seriemotstand, kan du øke verdien på R1 til 270 ohm og R2 til 3,3 k.

Lavfrekvent seriemodusoscillatorkrets

For firkantbølgeoperasjoner er C1 1 uF (eller kanskje en størrelse ved siden av, eller større enn den). For sinusbølgeutgang er C1 ikke i krets.

Amplitude-kontroll er unødvendig. Sinusbølgeeffekt er omtrent 1 V rms, kvadratisk frafall rundt 4 V topp til topp.

Kretsen i figur 6 er faktisk en revidert type Colpitts-oscillator, med inkludering av motstand Rf for å regulere tilbakemelding. Kondensatorer C1 og C2 må minimeres gjennom beregnede størrelser når frekvensen økes.

Ved 500 kHz må verdiene for C1 og C2 være omtrent 100 pF og 1500 pF tilsvarende. Kretsen har vist sinusbølgeeffekt ved å bruke den andre harmoniske rundt 40 dB lavere (eller høyere).

Dette minimeres ofte gjennom oppmerksom tilpasning av Rf og C1. Husk at det med redusert mengde en tilbakemelding er viktig for å oppnå dette, krever at det tar omtrent 20 sekunder for oscillatoren å oppnå full effekt.

Effekten er rundt 2 til 3 volt topp til topp. Når du trenger en utgang lastet med harmoniske, vil den enkle inkluderingen av en 0,1 uF kondensator over emittermotstanden oppnå det. Effekten øker deretter til rundt 5 V topp til topp.

Strømforsyningsspenningen kan reduseres i slike tilfeller for å redusere krystallspredning. Andre transistorer kan brukes, selv om skjevhet og tilbakemelding kanskje må justeres. For cantankerous krystaller designet for å svinge i moduser i tillegg til de du ønsker, foreslo kretsen i figur 7 sterkt

100 kHz innstilt krystalloscillatorkrets

Tilbakemelding styres av et trykk langs samlerbelastningen på Q1. Amplitude confining er viktig for å opprettholde krystallavledningen innenfor grensene. For 50 kHz krystaller må spolen være 2 mH og dens resonans kondensator 0,01 uF. Effekten er omtrent 0,5 V rms, i utgangspunktet en sinusbølge.

Bruk av en emitterfølger eller kildefølgerbuffer anbefales på det sterkeste.

I tilfelle en parallellmoduskrystall brukes, må 1000 pF kondensatoren som er angitt i serie med krystallet endres til krystallets valgte lastekapasitans (vanligvis 30, 50 til 100 pF for disse typer krystaller).

HF CRYSTAL OSCILLATOR-KRETSER

Solid state-design for de velkjente AT-kutte HF-krystallene har en tendens til å være legion. Men resultatene er ikke nødvendigvis det du kan forvente å ha. De fleste essensielle krystaller opp til 20 MHz velges vanligvis for å fungere parallelt.

Ikke desto mindre kan denne typen krystaller brukes i seriemodusoscillatorer ved å posisjonere den ønskede lastekapasitansen i serie med krystallet som nevnt tidligere. De to typer kretsløp er omtalt nedenfor.

En god oscillator i området 3 til 10 MHz som ikke krever en innstilt krets, er presentert i figur 8 (a). Det er naturlig nok den samme kretsen som figur 6. Kretsen fungerer ekstremt bra ned til 1 MHz når C1 og C2 er høyere enn henholdsvis 470 pF og 820 pF. Den kan brukes til 15 MHz i tilfelle C1 og C2 blir redusert til 120 pF og 330 pF. henholdsvis.

parallell oscillatorkrets

Denne kretsen anbefales for ikke-kritiske formål der det ønskes stor harmonisk utgang, eller ikke et alternativ. Inkluderingen av en innstilt krets som i 8b minimerer harmonisk utgang betydelig.

En innstilt krets som har en betydelig Q anbefales vanligvis. I en 6 MHz oscillator har vi oppnådd resultatene nedenfor. Å ha en spole Q på 50 var 2. harmoniske 35 dB helt ned.

Med en Q på 160 hadde den vært -50 dB! Motstand Rf kan endres (øke litt) for å forbedre dette. Effekten økes i tillegg med en høy Q-spole.

Som tidligere observert, med redusert tilbakemelding, krever det flere titalls sekunder for å oppnå 100% produksjon fra å slå på, selv om frekvensstabilitet er fantastisk.

Funksjon ved forskjellige frekvenser kan oppnås ved å justere kondensatorene og spolen effektivt.

Denne kretsen (fig. 8) kan også endres til en ekstremt nyttig VXO. En liten induktans er definert i serie med krystallen, og en av kondensatorene i tilbakekoblingskretsen brukes som en variabel type.

En vanlig to-gjeng 10-415 pF-kondensator for tuning av sendere vil utføre oppgaven perfekt. Hver gjeng er satt sammen parallelt.

variabel frekvensoscillator VXO

Innstillingsområdet bestemmes av krystallet, induktansen til L1 og frekvensen. Et større område er generelt tilgjengelig ved bruk av krystallene med høyere frekvens. Stabilitet er ekstremt god, nærmer seg krystallens.

EN VHF OSCILLATOR-MULTIPLIER

Kretsen i figur 10 er en modifisert versjon av den 'impedansinverterende' overtoneoscillatoren. Ved å bruke impedansinverteringskretsen er samleren vanligvis enten ujustert eller jordet for RF.

Samleren kan innstilles til to eller tre ganger krystallfrekvensen for å minimere utgangen ved krystallfrekvensen, foreslås en 2x innstilt krets.

DU BØR ALDRI innstille samleren på krystallfrekvensen, ellers kan kretsen svinge med en frekvens som kan være utenfor krystallets kontroll. Du må vedlikeholde oppsamlerledningen veldig liten og en mot en så mye du kan.

Sluttresultatene med denne typen kretsløp var gode. Omtrent alle utganger i tillegg til ønsket utgang hadde vært på -60 dB eller høyere.

Støyproduksjon når minst 70 dB under ønsket effekt. Dette skaper en enestående konverteringsoscillator for VHF / UHF-omformere.

Praktisk talt 2 V RF kan fås på den varme terminalen på L3 (forfatterens original ved 30 MHz). En Zener-regulert forsyning anbefales sterkt.

Som påpekt i diagrammet, er forskjellige kretsverdier avgjørende for forskjellige transistorer. Strays i spesifikk struktur kan også kreve modifikasjoner. L1 kan brukes til å flytte krystall på frekvens. Mindre modifikasjoner i frekvens (ca. 1 spm) finner sted mens du justerer L2 og L3, samt bruker belastningsvariasjoner. Når det er sagt, i virkelige tester kan disse tingene være ubetydelige.




Forrige: Parametere for datablad for komparator Neste: Slik kobler du en MQ-135 gassensormodul riktig