Quarzoszillatoren auf Harmonischen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Funkamateur-Designer

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Mit den Schaltkreisen schleifenloser Quarzoszillatoren (CG) des Autors [1, 2] ist es möglich, eine Erzeugung nicht nur bei der ersten (Grund-)Harmonischen des Quarzes, sondern auch bei seiner dritten Harmonischen zu erreichen. Gleichzeitig ist es interessant festzustellen, dass in diesen Schaltkreisen sowohl Quarze, die speziell für die Erzeugung von Harmonischen (den sogenannten Harmonischen) entwickelt wurden, als auch gewöhnliche Quarze auf der dritten Harmonischen arbeiten.

Die oben genannten Schaltungen erschöpfen jedoch bei weitem nicht die Schaltung schaltungsloser Oberton-Quarzoszillatoren. Eine weitere Schaltung aus der Familie solcher Generatoren auf Basis eines Bipolartransistors ist in Abb. dargestellt. 1. Ein solcher CH ist einfacher als die Schemata aus [1, 2].

Diese Schaltung ähnelt auf den ersten Blick der bekannten kapazitiven „Dreipunkt“-Schaltung, unterscheidet sich jedoch von der „klassischen“ Schaltung. Dem Generator fehlt im Vergleich zur „klassischen“ KG-Schaltung einer der Rückkopplungskondensatoren (zwischen Basis und Emitter des Transistors).

Neben der Reduzierung der Elementanzahl bietet die Schaltung weitere Vorteile: „Classic“ KG generiert ausschließlich auf der ersten Harmonischen des Quarzes. Dem Autor ist es in zahlreichen Experimenten nie gelungen, eine Erzeugung auf der dritten (mechanischen) Harmonischen zu erreichen. Die in Abb. 1 gezeigte Schaltung mit einer ausreichend kleinen Kapazität C3 (normalerweise mehrere zehn Pikofarad) beginnt problemlos bei der dritten Harmonischen des Quarzes. Gleichzeitig nimmt mit zunehmender Kapazität C3 der Pegel der Ausgangs-HF-Spannung des KG allmählich ab (die Frequenz der erzeugten Schwingungen nimmt ebenfalls geringfügig um Dutzende bis Hunderte von Hertz ab). erste Harmonische. Die Amplitude der erzeugten Schwingungen nimmt in diesem Fall wieder zu.

Fig. 1

Bei einem noch stärkeren Anstieg von C3 kommt es zu einer allmählichen Abnahme der Schwingungsamplitude, begleitet von einer leichten Abnahme der Frequenz, und schließlich bei einer ausreichend großen Kapazität C3 (z. B. mehrere Nanofarad für Quarz bei einer Frequenz von 27 MHz), die KG-Schwingungen brechen zusammen. Das Bild der auftretenden Phänomene im CG mit zunehmender Kapazität C3 ist in Abb. dargestellt. 2.

Fig. 2

Die Amplitude der Ausgangsspannung des KG bei der Erzeugung bei der ersten Harmonischen (für „harmonischen“ Quarz) fällt größer aus als bei der Erzeugung bei der dritten Harmonischen (für den gleichen Quarz). So ist in Abb. Abbildung 2 zeigt den allgemeinsten Fall, bei dem die Erzeugung für Quarz sowohl bei der ersten als auch bei der dritten mechanischen Harmonischen möglich ist.

Manchmal (sehr selten) gibt es noch Quarze, die nur bei der ersten Harmonischen erzeugen. In diesem Fall ist in Abb. In 2 bleibt nur ein Peak (rechts) übrig, während der linke Peak und der Bereich der Zweifrequenzschwingungen verschwinden. Um „Sprünge“ in der KG-Frequenz zu beobachten, wenn sich die Kapazität C3 ändert, ist es notwendig, ein HF-Oszilloskop und einen Frequenzmesser über gute Pufferstufen (mit einem Eingangswiderstand von mehr als 10 kΩ und einer Eingangskapazität von nicht mehr) an den KG anzuschließen als ein paar Picofarad).

Als C3 wird KPI (12 ... 495 pF) verwendet, das entweder direkt oder über kleine Kapazitäten (mehrere zehn Pikofarad) in den KG-Kreis eingebunden wird. Der KPI wird mit dicken, nicht isolierten Drähten möglichst geringer Länge mit der KG-Platine verbunden.

Aus praktischer Sicht ist das in Abb. 3. In diesem Fall werden die Anforderungen an die Pufferstufe deutlich reduziert. Dennoch ist eine Pufferstufe (zumindest die einfachste) auch dann wünschenswert, wenn eine solche KG-Schaltung als Teil eines Empfängers oder Transceivers verwendet wird. Es ist auch notwendig, die Stromversorgung der oben genannten KG-Stromkreise zu stabilisieren. Besonderes Augenmerk sollte auf die Widerstandswerte in den Stromkreisen gelegt werden (Abb. 1 und 3): Sie können in einem weiten Bereich nicht geändert werden. Für das KG-Schema gemäß Abb. 1 Bei einer Versorgungsspannung von 9 ... 12 V muss folgende Bedingung erfüllt sein:

R1=R2=20*R3;

R3 = 470...2000 Ohm (1)

KG nach Abb. 3 bei gleicher Versorgungsspannung setzt folgende Bedingungen voraus:

R1 \u2d R20 \u4d 3 * R4 (bei RXNUMX "RXNUMX);

R4 = 470.. 2000 Ohm, (2)

oder

R1=20*R4;

R2 = 10*R4 (mit R3 ~= R4);

R4 = 470...2000 Ohm;

R3 <= 1000 Ohm. (3)

Nur wenn die Bedingungen (1), (2) oder (3) erfüllt sind, verhalten sich die CG-Schemata wie oben beschrieben.

Die Auswahl der Vorspannungswiderstände erfolgt anhand der Empfehlungen aus [3]. Die Ausgangsimpedanz des KG (Abb. 3) entspricht nahezu R3.

Fig. 3

Pufferstufen für solche CGs können wie in [2] verwendet werden. Allerdings sollte man immer bedenken, dass die Pufferstufe das Eingangssignal differenzieren (und teilweise integrieren) kann, was bei sinusförmigen Signalen zu einer Verzerrung der Wellenform führt.

Die oben genannten KG-Schemata können für den breiten Einsatz in Amateurfunkdesigns empfohlen werden. Besonders gelungen ist laut Autor das Diagramm in Abb. 3, der über einen 50-Ohm-HF-Ausgang verfügt (bei Nennwerten R1=R2=10 kOhm, R3=51 Ohm).

Diese KG-Schemata sind gemäß der Klassifizierung [5] „Zweipunkt“-Schemata und können sowohl auf der ersten als auch auf der dritten Harmonischen von Quarz betrieben werden. Zum Beispiel Quarz RK-169 im Schema gemäß Abb. 3 (R3=51 Ohm) erzeugt bei einer Frequenz von 27411 kHz bei C3=51 pF und bei einer Frequenz von 9142,42 kHz bei C3=330 pF, während auf dem Quarzgehäuse die Frequenz 27,41 MHz angegeben war.

Betrachten Sie nun die vom Autor auf der Grundlage des Prototyps entworfenen Generatoren – den Pierce-Generator, bei dem es sich um einen Generator mit kapazitiver Kopplung über die Kondensatoren C2 und C4 handelt (Abb. 4).

Fig. 4

Der Quarzresonator weist beim Betrieb in einem Pierce-Oszillator eine induktive Reaktanz auf, so dass ein solcher Oszillator im Frequenzbereich zwischen der Frequenz der Serien-fs und der parallelen Frequenz fp der Quarzresonanz arbeitet. Laut [4] erzeugt der Quarz in diesem Generator eine Frequenz nahe fp, in [6] wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Erzeugungsfrequenz näher bei fs als bei fp liegt. In dieser Hinsicht ist die Aufteilung solcher CGs in Serien- und Parallelresonanzgeneratoren aufgrund der Abhängigkeit der erzeugten Frequenz von den in der Schaltung enthaltenen Reaktivitätswerten (in Abb. 5 sind dies beispielsweise C2 und C4) nicht ganz gelungen ).

Fig. 5

Auf Abb. 4 Widerstände R1 und R2 bilden einen Spannungsteiler, um die notwendige Vorspannung der Basis des Transistors VT1 zu erzeugen. Um eine hohe Temperaturstabilität des Arbeitspunktes zu erreichen, wird eine OOS-Schaltung für Gleichstrom R3-C3 verwendet.

Die Kondensatoren C1 und C3 sind Blockkondensatoren; bei ausreichender Kapazität haben sie keinen Einfluss auf die Frequenz des KG. Gleichzeitig sind die Kondensatoren C2 und C4 direkt an der Schwingungserzeugung beteiligt und die Frequenz hängt von ihrer Kapazität ab. Der reaktive (induktive) Widerstand des Induktors L1 ist sehr groß (viel größer als die Reaktanzen der Kondensatoren C2, C4 und des Quarzes ZQ1), sodass die Rolle des Induktors L1 im Pierce KG-Schaltkreis ausschließlich auf die Gleichstromtrennung beschränkt ist und HF-Ströme. Aus diesem Grund kann L1 durch eine andere Stromquelle (sogar einen Widerstand) ersetzt werden. Besonders zu beachten ist, dass der Einsatz solcher Drosseln (insbesondere bei hoher Güte Q) in manchen Fällen dazu führen kann, dass der Generator bei Quarzfrequenzen überhaupt nicht angeregt wird. Die Einführung einer Drossel verringert die Zuverlässigkeit des Schwerpunkts, daher ist es besser, nach Möglichkeit darauf zu verzichten.

Das Arbeitsdiagramm des CG ist in Abb. dargestellt. 5. Wählt man die Kapazitäten der Kondensatoren C2=C3 ausreichend klein, erhält man eine Erzeugung bei der dritten Harmonischen des Quarzes. Wenn diese Kapazitäten zunehmen, ergibt sich das in Abb. 2, und für ausreichend große Werte dieser Kapazitäten erhalten wir eine Erzeugung bei der ersten Harmonischen von Quarz.

Auf den Transistoren VT2 und VT3 wird eine Pufferstufe gebildet, bei der es sich um einen nacheinander geschalteten Emitterfolger handelt. Die Widerstände R3 und R7 wirken antiparasitär und dienen der Erhöhung der Stabilität der Pufferstufe. Wenn wir akzeptieren, dass С2=С3, dann können diese Kapazitäten aus dem Ausdruck bestimmt werden, wenn der KG bei der dritten Harmonischen arbeitet

C2 \u3d CXNUMX \uXNUMXd L, (pF)

wobei L die Wellenlänge für die dritte Harmonische ist, m.

Für einen zuverlässigen Betrieb bei der ersten Harmonischen müssen diese Kapazitäten 3-, vorzugsweise 5-mal groß gewählt werden.

Auf Abb. Abbildung 6 zeigt ein Diagramm eines HF-Anschlusses an ein Voltmeter mit hohem Eingangswiderstand, mit dessen Hilfe und anhand einer Kalibrierkurve die HF-Spannung am VT1-Kollektor ermittelt wurde (Abb. 5). Das Präfix wird im Gleichspannungsmessmodus an ein hochohmiges (RBX> 1 MΩ) Voltmeter angeschlossen.

Fig. 6

Die für einen der harmonischen Quarze (46,516 MHz) erhaltenen Daten sind in Tabelle 1 dargestellt. Wie aus der Tabelle hervorgeht, reichen für Quarz mit einer Frequenz von etwa 50 MHz die Kapazitäten aus, die die Leiterplatte und der Transistor selbst haben. Bei Quarz bei 27 MHz wird keine Erzeugung der dritten Harmonischen in Abwesenheit von C2 und C3 beobachtet.

Die zum Aufbau von Quarzoszillatoren (CG) verwendeten Bipolartransistoren (BT) zeichnen sich durch ausreichend große Kapazitäten zwischen den Elektroden (Cbe, CKg, Cke) aus, die dem Transistor selbst innewohnen. Wir nennen sie die internen Kapazitäten des Transistors. Aufgrund der erheblichen internen Kapazitäten des BT wird der Betrieb des KG an diesen Transistoren bereits nicht nur durch die Kapazitäten der Kondensatoren, sondern auch durch die internen Kapazitäten des BT bestimmt . Mikrowellen-Feldeffekttransistoren (FETs) mit einem oder zwei isolierten Gates haben sehr kleine interne Kapazitäten, die um eine Größenordnung (oder sogar mehr) geringer sind als die internen Kapazitäten von HF-BTs. Daher wird die Arbeit des KG am Mikrowellen-FET hauptsächlich nur durch die Kapazitäten der Kondensatoren sowie durch die parasitären Kapazitäten der Installation bestimmt.

Die vorgeschlagene KG-Schaltung auf dem FET (Abb. 7) basiert auf einem Source-Folger. Da derzeit der am weitesten verbreitete Mikrowellen-FET mit zwei isolierten Gates ist und zum Vergleich der Funktionsweise des KG an Bipolar- und Feldeffekttransistoren ein Single-Gate-FET benötigt wird, wird ein solcher FET aus einem Double-Gate-FET durch erhalten seine Tore miteinander verbinden. Da die verwendeten Mikrowellen-FETs im Frequenzbereich bis zu einigen Gigahertz arbeiten, sind sie sehr anfällig für Selbsterregung (gedruckte Leiterbahnen auf der Platine „funktionieren“ als eine Art Mikrowellenschaltung).

Fig. 7

Um die Selbsterregung zu eliminieren, verwendete der Autor antiparasitäre SMD-Widerstände mit niedrigem Widerstand, deren Wert empirisch ausgewählt wurde (in Abb. 7 sind dies R3 und R4). Solche SMD-Widerstände werden an die für den Einbau auf die minimal mögliche Länge gekürzten FET-Anschlüsse angelötet. Um die Abweichung der KG-Frequenz bei Messungen zu eliminieren, ist daran eine Pufferstufe aus in Reihe geschalteten Source- und Emitterfolgern angeschlossen. Das vollständige Schema des untersuchten CG am Mikrowellen-FET ist in Abb. dargestellt. 8. Diese Pufferstufe hat wesentlich bessere Eigenschaften als die Pufferstufe des HF BT (Abb. 5).

Reis. 8 (zum Vergrößern anklicken)

Auf den ersten Blick sind die CG-Schaltungen für BT und PT vom Funktionsprinzip her gleich (beide Schaltungen basieren auf Breitband-Spannungsfolgern), Experimente haben jedoch gezeigt, dass sie sich unterschiedlich verhalten. Im CG am BT (Abb. 1) erfolgt bei einer bestimmten (kleinen) Kapazität des Kondensators im Emitterkreis des Transistors die Erzeugung bei der dritten Harmonischen. Wenn die Kapazität des Kondensators zunimmt, erfolgt die Erzeugung immer noch bei der gleichen Harmonischen des Quarzes. Und erst bei einer weiteren Erhöhung der Kapazität des angegebenen Kondensators gelangt der Generator in den Bereich komplexer Schwingungen. Die Zone komplexer Schwingungen wird normalerweise in einem ziemlich engen Bereich von Änderungen der Kapazität des Kondensators (Bruchteile ... Einheiten von Picofarad) beobachtet. Im gleichen Bereich liegt ein Spitzenwert (Maximum) der Ausgangsspannung. Eine weitere Erhöhung der Kapazität des Kondensators führt zur Erzeugung der ersten mechanischen Harmonischen von Quarz.

Bei einem CG auf einem Mikrowellen-FET wird bei Verwendung von ausreichend niederfrequentem Quarz (z. B. mit der ersten mechanischen Harmonischen von etwa 9 MHz) die oben beschriebene Zustandsänderung überhaupt nicht beobachtet, was in erster Näherung erklärt werden kann durch die sehr kleinen internen Kapazitäten des FET.

Um diese Annahme mit Hilfe eines speziell eingebauten Kondensators (6,8 pF) zu testen, siehe Abb. 7 und 8 als Szi wurde die entsprechende Kapazität des Transistors künstlich erhöht, was den Betrieb des KG an BT und PT vergleichbar macht. Daten für KG am FET (Frequenz und Ausgangsspannung) ohne Kondensator sind in Tabelle 2 aufgeführt. In der Tabelle. In Abb. 3 zeigt die Daten für den Fall, dass ein zusätzlicher Kondensator mit einer Kapazität von 6,8 pF eingebaut wurde. In diesem Fall wurde der gleiche Quarz (27668 kHz) sowie Widerstände R1=R2=20 kOhm verwendet. Nach der Installation eines zusätzlichen Kondensators Czi begann sich das betrachtete KG ähnlich zu verhalten wie das KG am BT.

Wenn KG auf FETs mit Hochfrequenzquarz (z. B. Quarz mit der ersten mechanischen Harmonischen von etwa 15 MHz) arbeiten, reicht die interne Kapazität des FET (Czi) selbst bereits für den normalen Betrieb des KG völlig aus. Daten für CG mit Hochfrequenzquarz sind in der Tabelle dargestellt. 4 (bei 46,516 MHz). In diesem Fall ist R1 = R2 = 20 kOhm.

Die Abhängigkeit der Frequenz und Ausgangsspannung vom Wert von C3 aus der Tabelle. 2 und 3 sind in Abb. grafisch dargestellt. 9 und 10, und aus der Tabelle. 4 - in Abb. elf.

Fig. 9

Fig. 10

Fig. 11

Notes:

1 Bei C3=20 pf gibt es eine Zone von Schwingungen mit zwei Frequenzen.

2 Wenn R1=R2=1 MΩ, erfolgt die Erzeugung nur bei einer Frequenz von 15,52 MHz

Die Transistoren des Generators und der Pufferstufe aller betrachteten KG-Schaltkreise arbeiten bei erheblichen HF-Signalpegeln und führen daher zu erheblichen nichtlinearen Verzerrungen. Am Ausgang des KG liegen zudem elektrische Oberschwingungen des Signals mit erheblichem Pegel vor. Die Frequenz dieser Harmonischen ist um ein ganzzahliges Vielfaches größer als die Grundfrequenz (d. h. die erste Harmonische). Wenn Quarz beispielsweise mit einer Frequenz von 9 MHz arbeitet, liegen am Ausgang des KG auch Frequenzen von 18, 27, 36, 45 MHz usw. an. Allerdings sind diese höheren Harmonischen in der Regel um eine Größenordnung oder schwächer als die erste Harmonische. Die mechanischen Harmonischen von Quarz sind nicht genau um ein Vielfaches größer als einander. Daher unterscheiden sich die Frequenzen der ersten und dritten mechanischen Harmonischen von Quarz um einen Faktor ungleich drei.

Anhand dieses Merkmals der mechanischen Oberschwingungen von Quarz kann man zwischen eigentlichen mechanischen Oberschwingungen und elektrischen Oberschwingungen unterscheiden. Mithilfe der Daten aus Tabelle 1 erhalten wir beispielsweise das Frequenzverhältnis

f3/f1 = (46518,46+46518,15)*2/(2*(15516,82+15513,54))=46518,3/15515,18=2,998 (4)

Die Frequenz von Resonatoren, die auf mechanischen Harmonischen basieren, wird nach [9] durch den Ausdruck bestimmt

fn = n(1 - Yn)*f1, (5)

Dabei ist fn die Frequenz der n-ten mechanischen Harmonischen des Quarzes, n die Zahl der entsprechenden Harmonischen (in diesem Fall eine ungerade ganze Zahl), f1 die Frequenz der ersten mechanischen Harmonischen des Quarzes, Yn ein Korrekturfaktor abhängig von die harmonische Zahl. Beispielsweise ist Y3=0,001 [9] Somit hat Ausdruck (5) für die dritte mechanische Harmonische die Form:

f3=3*(1-0,001)*f1, (6)

von wo

f3/f1 = 3*(1 -0,001) = 2,997 (7)

Da die Zahlenwerte der Ausdrücke (4) und (7) praktisch übereinstimmen, können wir sagen, dass die Erzeugung im Generator sowohl bei der ersten als auch bei der dritten mechanischen Harmonischen von Quarz möglich ist.

Der Bereich komplexer Schwingungen (Abb. 2) existiert in allen oben betrachteten KG-Schaltungen und kann durch Anschluss eines Oszilloskops an den KG-Ausgang erfasst werden. Auf dem Bildschirm ist ein komplexes Bild zu beobachten, das weit von der üblichen Sinuskurve entfernt ist. In der Zone komplexer Schwingungen existieren Schwingungen sowohl der ersten als auch der dritten mechanischen Harmonischen nebeneinander. Eine Erhöhung der Kapazität des entsprechenden Kondensators (C3) führt zu einer Abnahme der Amplitude der dritten Harmonischen und einer Zunahme der Amplitude der ersten .

Bei allen betrachteten CGs fällt die Ausgangsspannung bei der Erzeugung auf der ersten mechanischen Harmonischen etwas höher aus als bei der Erzeugung auf der dritten. Schwingungen mit der Frequenz der ersten mechanischen Harmonischen sind immer „stärker“ als Schwingungen mit der Frequenz der dritten, daher steigt die Ausgangsspannung des KG im Bereich von Zweifrequenzschwingungen mit zunehmender Kapazität der „Steuerung“. " Kondensator (C3). Eine Erhöhung der Kapazität des „Steuer“-Kondensators außerhalb der Zone der Zweifrequenzschwingungen führt dagegen zu einer Verringerung der Ausgangsspannung des Generators.

Die beobachteten Unterschiede im Betrieb des CG am BT und am FET sowie der anormale Betrieb des CG am PT bei Verwendung von ausreichend niederfrequentem Quarz sind auf den Unterschied in den Werten von zurückzuführen Cbe für den BT und Czi für den PT (Cbe "Czi). Wenn wir Cbe und Czi vergleichen, indem wir eine zusätzliche Kapazität Cdop (Cdop ~= Szi) zwischen dem Gate und der Source des FET, dem KG auf dem BT und dem verbinden FET beginnen sich ungefähr gleich zu verhalten. Da alle oben besprochenen KG-Schaltungen sowohl mit der ersten als auch der dritten mechanischen Harmonischen von Quarz arbeiten, kann für die Analyse eine äquivalente Quarzschaltung verwendet werden, wie in Abb. 12 dargestellt.

Fig. 12

Mit einer solchen Quarzschaltung ist es möglich, das Ersatzschaltbild eines FET-Oszillators gemäß Abb. darzustellen. 13.

Fig. 13

Alle betrachteten KG-Schemata enthalten außer dem Quarz selbst keine Schwingkreise (Resonanzkreise). Dies vereinfacht die Herstellung und Abstimmung solcher harmonischer CGs erheblich, da grundsätzlich nur die Kapazität des „Steuer“-Kondensators ausgewählt wird.

Literatur

1. Artemenko V. Schaltungsloser Quarzoszillator. - Funkamateur, 2000, Nr. 8, S. 27.
2. Artemenko V. Quarz-Oberton-Oszillator ohne Schaltung. - Radiomir KB und VHF, 2002, Nr. 1, S. 27-29.
3. Horowitz P., Hill W. Die Kunst der Schaltung. Band 1. - M.: Mir, 1984.
4. Khablovski I., Skulimovski V. Elektronik in Fragen und Antworten. - M.: Radio und Kommunikation, 1984.
5. Belousov O. Zweipunkt-Quarzoszillator. - Radiomir, 2001, N7, S. 33.
6. Mason W. Piezoelektrische Kristalle und ihre Anwendungen in der Ultraakustik.- M.: IL, 1952.
7. Belousov O. Quarzoszillator - Radioamator, 2002, Nr. 6, S.25.
8. Artemenko V. Barrier-Hochfrequenzgeneratoren auf Bipolartransistoren. - Radiohobby, 2000, Nr. 2, S. 35.
9. Labutin L. Quarzresonatoren - Radio. 1975, N3, S. 13-16.

Autor: V.Artemenko, UT5UDJ, Kiew

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