Stabiler Quarzoszillator. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

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Es ist bekannt, dass die stabilisierenden Eigenschaften eines Quarzresonators am besten zur Geltung kommen, wenn er mit einer Serienresonanzfrequenz angeregt wird. Dem Autor ist es gelungen, einen frequenzstabilisierten Quarzoszillator zu entwickeln, der bei einer Serienresonanzfrequenz selbsterregt ist und praktisch keiner Justierung bedarf.

Als Grundlage diente der bekannte Generator, bei dem zwischen den Emittern angeschlossener Transistorstufen ein Quarzresonator geschaltet ist. Seine vereinfachte Schaltung (ohne Transistor-Vorspannungsschaltungen) ist in Abb. dargestellt. 1. Der Transistor VT1 ist gemäß dem Schema mit einer gemeinsamen Basis und VT2 mit einem gemeinsamen Kollektor (Emitterfolger) verbunden. Wie Sie wissen, sind die Ausgangswiderstände des Emitterfolgers und der Eingangskaskade mit gemeinsamer Basis sehr klein, sodass der Quarzresonator zwischen zwei kleinen und nahezu aktiven Widerständen geschaltet ist. Unter diesen Bedingungen lässt es das Signal nur bei der Frequenz seiner Serienresonanz durch und schließt die Rückkopplungsschleife, wo sein Widerstand minimal ist.

Zur Selbsterregung des Generators ist es notwendig, Amplituden- und Phasengleichgewichte aufrechtzuerhalten. Die erste besteht darin, sicherzustellen, dass das Produkt der Verstärkungen aller Verbindungen im Rückkopplungsring etwas größer als eins ist. Wenn er unter diesem Wert liegt, erregt sich der Generator nicht selbst. Wenn er viel größer ist, kommt es zu einer Übererregung, wodurch sich die Frequenzstabilität und die Signalform verschlechtern (aufgrund des Eintritts in den nichtlinearen Bereich der Transistoreigenschaften). ).

Die Phasenbalance besteht darin, dass der Phaseneingriff im Ring entweder 0 oder 360° beträgt. Andernfalls muss der zusätzliche Phaseneinbruch den Resonator kompensieren, und entsprechend der Phasencharakteristik des letzteren erregt sich der Generator nicht genau auf der Resonanzfrequenz, sondern etwas seitlich davon. Und das Unangenehmste ist, dass diese Frequenzverschiebung vom Modus, der Temperatur und anderen destabilisierenden Faktoren abhängt. Übrigens ist die Frequenzverschiebung aufgrund des Skew umso geringer, je höher die Güte des Resonators und dementsprechend je steiler seine Phasencharakteristik ist. Deshalb empfiehlt es sich, hochwertige Resonatoren zu verwenden.

Die R3C1-Schaltung, die dazu dient, die Verstärkerstufe (VT1) mit dem Emitterfolger (VT2) zu verbinden, trägt dazu bei, die beschriebenen Bedingungen im vorgeschlagenen Generator zu erfüllen. Die Zurückhaltung, einen Schwingkreis als Verstärkerlast zu verwenden, hat dazu geführt, dass die verstärkte Spannung nicht am aktiven Widerstand der Last R1, sondern an der Kapazität des Kollektorübergangs abgegeben wird. Der Ort der Einbeziehung der Kollektorkapazität und der Installation von Sk ist in Abb. dargestellt. 1 gestrichelte Linie. Diese Kapazitäten wirken wie eine integrierende Schaltung und erzeugen eine Phasenverzögerung von fast 90°. Die Differenzierschaltung R3C1 erzeugt eine Phasenvoreilung um den gleichen Winkel, wodurch die gesamte Phasenverschiebung im Ring nahe Null liegt. Durch die Reduzierung der Kapazität C1 kann auch der Übertragungskoeffizient reduziert und somit eine Übererregung vermieden werden. Das Ausgangssignal wird zweckmäßigerweise vom Widerstand R4 entfernt, der im Kollektorkreis des Emitterfolgertransistors VT2 enthalten ist. Aufgrund seiner hohen Ausgangsimpedanz ist der Einfluss nachfolgender Stufen auf den Betrieb des Generators vernachlässigbar.

Experimente mit dem beschriebenen Generator haben gezeigt, dass er sich sehr leicht selbst erregt, praktisch keine Einstellung erfordert und hinsichtlich der Nennleistung der Teile und der Art der Transistoren völlig unkritisch ist. Es entsteht naturgemäß bei der Grundfrequenz die Serienresonanz des Quarzresonators. Für VHF-Lokaloszillatoren und -Sender eignen sich jedoch harmonische Generatoren, die Schwingungen mit der dreifachen oder sogar fünffachen Frequenz des Resonators erzeugen (übrigens ist der Qualitätsfaktor des letzteren in Bezug auf Harmonische viel höher). Es stellte sich die Frage, ob es möglich ist, diesen Generator auf die dritte Harmonische des Quarzes anzuregen. Es stellte sich heraus, dass es trotz des Fehlens von Schwingkreisen möglich ist! Dazu müssen Sie Mikrowellentransistoren mit einer hohen Grenzfrequenz (nicht weniger als 300 ... 500 MHz) verwenden und den Lastwiderstand R1 und die Kapazität des Koppelkondensators C1 auf ein Minimum reduzieren. Die Selbsterregungsbedingungen für die dritte Harmonische werden in diesem Fall besser erreicht als für die erste.

Eine praktische Generatorschaltung ist in Abb. 2 dargestellt. XNUMX

DC-Transistormodi bestimmen die Teiler R1R2 und R8R9 in den Basiskreisen. Der Kollektorstrom hängt von den Widerständen der Widerstände R4 und R11 ab und beträgt in diesem Fall ca. 4 mA, der vom Generator aufgenommene Gesamtstrom beträgt 8 mA. Eine Modusauswahl ist nicht erforderlich. Es ist wünschenswert, die Versorgungsspannung von 9 V zu stabilisieren.

Der Autor verwendete im Generator weit verbreitete kleine Quarzresonatoren in einem Metallgehäuse von 27-MHz-CB-Radiosendern. Die Frequenz ihrer Hauptresonanz beträgt etwa 9 MHz, auf dem Gehäuse ist jedoch die Frequenz der dritten Harmonischen angegeben. Von einer ziemlich großen Menge an Resonatoren hatten nur wenige (etwa 5 %) eine unzureichende Aktivität für die Selbsterregung dieses Generators. Um die Frequenz in einem kleinen Bereich einzustellen, ist eine Varicap-Matrix VD1 in Reihe mit dem Quarzresonator BQ1 geschaltet. Beim Wechsel der Steuerspannung Ucontrol von 0 auf 9 V änderte sich die Frequenz um 700 Hz. Unter Berücksichtigung der anschließenden Frequenzvervielfachung (und der Vervielfachung der Abweichung mit der gleichen Anzahl) reicht dies für Schmalband-FM in den VHF-Bändern völlig aus. Wenn keine Modulation oder Ferneinstellung der Generatorfrequenz durch die Steuerspannung erforderlich ist, können die Elemente VD1, R5-R7, C4 und C5 weggelassen werden (der rechte - laut Diagramm - ist in diesem Fall der Ausgang des Resonators angeschlossen). direkt zum Emitter VT2). In kleinen Grenzen kann die Frequenz auch mit einem in Reihe zum BQ1-Quarzresonator geschalteten Trimmerkondensator eingestellt werden.

Das Einrichten des Generators beschränkt sich auf die Änderung der Kapazität des Abstimmkondensators C2, um eine stabile Selbsterregung bei der dritten Harmonischen zu erreichen. Bei unzureichender Kapazität bricht die Erzeugung vollständig zusammen, bei zu hoher Kapazität kann es zu einem „Sprung“ zur ersten Harmonischen kommen. Die Ausgangsspannung beträgt etwa 0,5 V. Die Steuerung erfolgt bequem mit einem Hochfrequenzoszilloskop, das an den Generatorausgang angeschlossen ist.

Autor: Vladimir Polyakov (RA3AAE)

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