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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Quarzgeneratoren. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Knoten von Amateurfunkgeräten. Generatoren, Überlagerungen Die relative Instabilität der Frequenz von Selbstoszillatoren, die an Resonatoren in Form von LC-Schaltungen ausgeführt werden, beträgt normalerweise nicht weniger als 10-310 ...-4. Die Frequenzstabilität des Generators hängt maßgeblich von der Güte und der Stabilität des schwingungsfähigen Systems ab. Der Qualitätsfaktor eines LC-Kreises ist normalerweise nicht höher als 200 ... 300. An moderne Funksender und -empfänger werden höhere Anforderungen an die Frequenzstabilität gestellt. Normalerweise eine langfristige relative Frequenzinstabilität von mindestens 10-610 ...-8, was durch Quarzresonatoren erreicht werden kann. Die Güte von Quarzresonatoren ist um ein Vielfaches höher als die Güte von Resonatoren auf LC-Schaltungen und beträgt 10410 ...6. Es gibt viele Schaltungen von Quarzoszillatoren. Daher wurde es notwendig, die in der Praxis am häufigsten verwendeten Schemata zu betrachten. Das allgemein akzeptierte Ersatzschaltbild eines Schwingquarzes ist in Abb. 1 dargestellt. Die dynamische Induktivität Ls, die dynamische Kapazität Cs und der Verlustwiderstand Rs sind auf das Vorhandensein eines direkten und inversen piezoelektrischen Effekts und Resonanzeigenschaften des piezoelektrischen Elements zurückzuführen. Die Parallelkapazität Cp ist auf die Zwischenelektrodenkapazität des Piezoelektrikums, die Kapazität des Gehäuses und der Befestigung zurückzuführen. Die Resonanzfrequenz des dynamischen Zweigs wird als Serienresonanzfrequenz des Schwingquarzes Fs bezeichnet.
Die Güte eines Schwingquarzes Q wird durch den dynamischen Zweig gemäß der Formel für einen Serienschwingkreis bestimmt Q=(2pFsLs)/Rs Die Frequenz der Parallelresonanz Fp ist etwas höher als Fs, was auf die Parallelresonanz von Cp, Cs und Ls zurückzuführen ist. Ein wichtiger Parameter eines Quarzresonators ist das Verhältnis seiner parallelen zu seiner dynamischen Kapazität, die mit r bezeichnet und als kapazitiver Koeffizient bezeichnet wird r=Cc/Cs Laut verschiedenen Literaturquellen beträgt der kapazitive Koeffizient für den AT-Schnitt von Quarz 220...250. In Anbetracht dessen, dass Cs/Cp < 0,1, kann man einen ungefähren Ausdruck für die Parallelresonanzfrequenz verwenden Fp=Fs(1+(Cs/2Cp)). Für einen kapazitiven Koeffizienten r > 25 kann das Resonanzintervall, definiert als die Differenz zwischen den Frequenzen von Parallel- und Serienresonanzen eines Quarzresonators, geschrieben werden als dF=Fs/2r. Bei den mechanischen Oberschwingungen eines Schwingquarzes nimmt der Resonanzabstand ab und wird durch den Ausdruck bestimmt dFn=Fs/(2rn2) wobei n die harmonische Zahl ist. Der Kapazitätskoeffizient bestimmt die Größe der Resonanzlücke des Resonators, also die Frequenzabweichung des gesteuerten Quarzoszillators, die Frequenzstabilität bei Änderung der Schaltungsparameter, die Bedingungen für das Auftreten und die Aufrechterhaltung von Schwingungen in der Quarz-Selbstoszillatorschaltung . Um die Erregbarkeit eines Quarzresonators zu bewerten, verwenden einige Kristalloszillatorschaltungen einen Parameter namens Qualitätsfaktor. Sie ist definiert als das Verhältnis des Qualitätsfaktors des Resonators zu seinem kapazitiven Koeffizienten m = Q/r. Bei Quarzresonatoren liegen die Werte von M im Bereich von 1 bis 10000 2. Bei M < 2 fällt der Blindwiderstand des Resonators positiv (kapazitiv) aus und hat keinen induktiven Reaktionsbereich. Folglich wird die Anregung eines solchen Resonators in den Schaltungen von Quarzoszillatoren, die eine induktive Reaktion erfordern, unmöglich. Wenn M > XNUMX, hat der Resonator einen Bereich der induktiven Reaktion, und je größer der Wert von M ist, desto breiter ist dieser Bereich. In der Praxis sind zwei Arten von Quarzoszillatoren am weitesten verbreitet: a) Generatoren, bei denen ein Schwingquarz Teil eines Schwingkreises ist und einer Induktivität entspricht; b) Generatoren, bei denen der Quarzresonator in den Rückkopplungskreis eingebunden ist, als schmalbandiges Filter verwendet wird und einem aktiven Widerstand entspricht. Kristalloszillatoren, bei denen ein Quarzresonator als Element einer Schaltung mit induktiven Reaktionen verwendet wird, werden als oszillatorisch bezeichnet, und Oszillatoren, bei denen ein Quarzresonator in der Rückkopplungsschaltung enthalten ist, werden als Serienresonanzgeneratoren bezeichnet. Die Oszillatorschaltung eines Quarzoszillators mit Quarz zwischen Kollektor und Basis, hergestellt nach der Schaltung mit geerdetem Emitter (kapazitiver Dreipunkt), ist in Abb. 2 dargestellt.
Derzeit ist der kapazitive Dreipunkt weit verbreitet im Frequenzbereich bis 22 MHz, wenn der Resonator mit der Grundfrequenz arbeitet, und bis 66 MHz, wenn er mit der dritten mechanischen Harmonischen angeregt wird (Bild 3). Der Selbstoszillator mit einem Quarzresonator zwischen Kollektor und Basis in einer Schaltung mit einem geerdeten Hochfrequenz-Emitter ist nicht anfällig für parasitäre Schwingungen auf anharmonischen Obertönen und hat eine ausgezeichnete Frequenzstabilität bei Änderungen der Versorgungsspannung und der Umgebungstemperatur.
Der Einfluss von Änderungen der Blindparameter des Transistors in Abhängigkeit von Versorgungsspannung und Zeit schwächt sich mit zunehmenden Kapazitäten C1, C3 ab (Abb. 2), d.h. wenn sich die Betriebsfrequenz des Selbstoszillators Fg nähert. Eine übermäßige Erhöhung der Kapazität führt jedoch zu einer Verschlechterung der Selbsterregungsbedingungen. Andererseits nimmt mit steigenden Kapazitäten die Verlustleistung im Resonator zu, was zu einer Zunahme der Instabilität der erzeugten Frequenz führt. Aufgrund technischer Gegebenheiten ist die Verlustleistung am Quarz auf 1...2 mW begrenzt. Allerdings hängt im Frequenzbereich 1...22 MHz mit einer solchen Verlustleistung die Frequenz der Serienresonanz von der Verlustleistung ab und der Proportionalitätskoeffizient beträgt daher (0,5...2)·10-9 Hz/μW Für hochstabile Generatoren sollte die Verlustleistung des Resonators auf 0,1 bis 0,2 mW begrenzt werden. In der Praxis empfiehlt es sich, die Kapazitäten C1, C3 so zu wählen, dass die Erzeugungsfrequenz nicht mehr als ein Viertel des Resonanzintervalls von Fs beträgt. Wenn der Quarzresonator mit den ungeradzahligen mechanischen Harmonischen des Quarzes angeregt wird, wird anstelle des Widerstands R3 eine Induktivität Lk eingeschaltet (Fig. 3). Bei der Erzeugungsfrequenz muss die Lk-C4-Schaltung eine Kapazität haben, d.h. seine Resonanzfrequenz muss unterhalb der Generatorfrequenz liegen. Die Schaltungsparameter sollten so gewählt werden, dass ihre Eigenfrequenz 0,7 ... 0,8 der Generatorfrequenz beträgt. Als Ergebnis hat die Schaltung eine kapazitive Leitung bei der Frequenz der erforderlichen Harmonischen, wodurch die Möglichkeit einer Erzeugung bei niedrigeren Harmonischen und der Grundfrequenz eliminiert wird. Bei Oszillatorgeneratoren, die bei Frequenzen über 22 MHz arbeiten, wird der Resonator normalerweise bei der 3. oder 5. Harmonischen angeregt, aber nicht bei höheren, da der Effekt der Parallelkapazität stark ist. Häufiger als in Abb. 2 gezeigt, wird in der Schaltung zum Einschalten eines Transistors mit geerdetem Kollektor eine kapazitive Dreipunktschaltung eines Quarzoszillators mit einem Quarzresonator zwischen Kollektor und Basis verwendet (Abb. 4). Diese Schaltung ist besonders nützlich für elektronisch abstimmbare Oszillatoren (in Reihe mit dem Varicap-Quarz) und hat weniger Sperrelemente als die geerdete Emitterschaltung. Viele Experten auf dem Gebiet der Quarzoszillatoren halten den kapazitiven Dreipunkt für die beste aller Quarzoszillatorschaltungen, die auf der Grundschwingung oder 3. mechanischen Harmonischen des Resonators arbeiten. Es ist zu beachten, dass es sich um einen kapazitiven Dreipunktkreis handelt, der keine Induktivität enthält, die bei der 3. und 5. Harmonischen angeregt wird.
Auto-Oszillator mit Quarz im Schaltkreis. Wenn in der Schaltung in Fig. 4 eine Induktivität L1 mit Quarz in Reihe geschaltet wird, führt dies zum Auftreten neuer Eigenschaften, d.h. im Generator (Abb. 5) sind Eigenschwingungen möglich, die nicht durch einen Schwingquarz stabilisiert werden.
Bei hohen Frequenzen, bei denen die Reaktanz der Parallelkapazität des Resonators kleiner ist als die Reaktanz des dynamischen Zweigs des Quarzresonators, ist eine Selbsterregung durch die Parallelkapazität Cp möglich. Das Vorhandensein der Induktivität L1 bedeutet, dass es möglich ist, einen Phasenausgleich bei der Serienresonanzfrequenz sowie in einem bestimmten Verstimmungsbereich unterhalb der Serienresonanzfrequenz durchzuführen. Die Induktivität L1 sorgt für Phasengleichheit unter Bedingungen, bei denen M <2 ist, und die äquivalente Reaktanz von Quarz kann nicht induktiv sein. Dies bedeutet, dass ein Generator mit Quarz im Stromkreis bei höheren Frequenzen und einer höheren Anzahl mechanischer Harmonischer des Quarzresonators arbeiten kann. Um eine parasitäre Selbsterregung durch eine Parallelkapazität Cp auszuschließen, die am ehesten bei hohen Frequenzen und höheren mechanischen Oberschwingungen auftritt, ist dem Resonator ein Widerstand R1 parallel geschaltet, der Verluste in den parasitären Selbsterregungskreis einbringt. Es ist möglich, die Anforderungen an die Aktivität eines Schwingquarzes bei mechanischen Oberschwingungen durch den Einsatz von Reihenresonanz-Generatorschaltungen zu reduzieren. Da mit zunehmender Frequenz und Oberwellenzahl die Aktivität des Quarzresonators aufgrund einer Erhöhung seines Ersatzwiderstands und einer Erhöhung der Nebenschlusswirkung der statischen (parallelen) Kapazität Ср abnimmt, muss neutralisiert oder kompensiert werden es. Die Neutralisation kann in einer Brückenschaltung durchgeführt werden, bei der Quarz in einem der Arme einer symmetrischen Brücke platziert wird. Brückeneigenoszillator mit Serienresonanz. Bei der in Fig. 6 gezeigten Schaltung mit exaktem Brückenabgleich (Cp=C2, XL1-2=XL2-3) erfolgt die Rückkopplung nur über den dynamischen Zweig des Resonators. Auf der mechanischen Harmonischen des Schwingquarzes steigt die Leitfähigkeit des Serienzweiges des Resonators stark an, die Brücke ist unsymmetrisch und bei entsprechender Wahl der Schaltungselemente wird der Generator angeregt. Die L1-C3-Schleife muss auf die gewünschte harmonische Frequenz abgestimmt werden.
In diesem Schema ist es möglich, Quarzresonatoren bei der 5. oder 7. Harmonischen anzuregen. Schemata mit Neutralisierung der statischen Kapazität des Resonators sind sehr kritisch für den Betriebsmodus und schwierig einzustellen, obwohl sie bei Frequenzen bis zu 100 MHz verwendet werden können. Die obere Frequenzgrenze des Oszillators mit Neutralisation ergibt sich aus der Schwierigkeit, mit zunehmender Frequenz einen großen äquivalenten Schleifenwiderstand zu erhalten, da die Anfangskapazität der Schleife aufgrund parasitärer Kapazitäten nicht klein gemacht werden kann. Das Butler-Schema (Abb. 7) zeichnet sich durch die größte Resistenz gegen destabilisierende Faktoren im Bereich bis 100 MHz aus. Die Obergrenze der erzeugten Frequenzen ist auf die Verschlechterung der Eigenschaften des Emitterfolgers zurückzuführen. In der Butler-Schaltung ist ein Quarzresonator in der Rückkopplungsschaltung zwischen den Emittern der Transistoren enthalten. Der Transistor VT1 ist gemäß dem Schema mit einem gemeinsamen Kollektor und der Transistor VT2 mit einer gemeinsamen Basis verbunden. Der Nachteil dieser Schaltung ist die Neigung zur parasitären Selbsterregung durch die Verbindung des Ausgangs mit dem Eingang über eine parallele Quarzkapazität Cp. Um dieses Phänomen zu beseitigen, wird parallel zum Quarz eine Induktivität geschaltet, die zusammen mit der Parallelkapazität des Quarzes einen auf die Frequenz der Störschwingung abgestimmten Schwingkreis bildet.
Autogenerator nach der Butler-Schaltung auf einem Transistor mit Kompensation Av. Bei Frequenzen bis 300 MHz empfiehlt sich der Einsatz einstufiger Filterschaltungen, beispielsweise einer Filterschaltung mit gemeinsamer Basis (Abb. 8). Im Wesentlichen handelt es sich bei einem solchen Selbstoszillator um einen einstufigen Verstärker, bei dem die Schaltung über einen Quarzresonator, der als Schmalbandfilter fungiert, mit dem Emitter eines Bipolartransistors verbunden ist. Der aus der parallelen Quarzkapazität Cp und der Spule L2 gebildete Schaltkreis ist auf die Frequenz der verwendeten Harmonischen abgestimmt. Mit zunehmender Betriebsfrequenz nehmen die äquivalenten Leitwerte des Transistors zu, d. h. die Erfüllung der Selbsterregungsbedingungen verschlechtert sich. Trotzdem sind die Bedingungen für die Selbsterregung dieses Selbstoszillators bei hohen Frequenzen leichter zu erfüllen als bei Selbstoszillatoren mit Quarz zwischen Kollektor und Basis und Quarz im Stromkreis, was seinen Vorteil ausmacht.
Abschließend ist festzuhalten, dass die betrachteten Schaltungen von Quarzoszillatoren nicht die gesamte Vielfalt der durch einen Quarzresonator stabilisierten Oszillatorschaltungen ausschöpfen, und die Wahl einer Schaltung entscheidend durch das Vorhandensein von Quarzresonatoren mit den erforderlichen äquivalenten Parametern beeinflusst wird, Anforderungen an Ausgangsleistung, Verlustleistung im Resonator, langzeitstabile Frequenzen etc. Ein bisschen über Resonatoren. Bei der Wahl eines Resonators für den Generator sollte besonders auf die Güte des Resonators geachtet werden – je höher dieser ist, desto stabiler ist die Frequenz. Vakuumresonatoren haben den höchsten Qualitätsfaktor. Aber je besser der Resonator, desto teurer ist er. Oft gibt es Resonatoren mit einem hohen Maß an Nebenresonanzen. In der UdSSR wurden neben Quarzresonatoren Resonatoren aus Lithiumniobat (mit RN oder RM gekennzeichnet), Lithiumtantalat (mit RT gekennzeichnet) und aus anderen Piezoelektrika hergestellt. Da sich die äquivalenten Parameter solcher Resonatoren von denen von Quarzresonatoren unterscheiden, dürfen sie nicht in Schaltungen betrieben werden, in denen Quarz einwandfrei funktioniert, obwohl die auf dem Gehäuse markierte Frequenz dieselbe sein kann. Sie können eine schlechtere Frequenzstabilität und Abstimmgenauigkeit aufweisen. Die Unternehmen der UdSSR stellten in der Regel Quarzresonatoren mit einer Grundfrequenz von bis zu 20 ... 22 MHz und höher her - bei mechanischen Oberschwingungen. Dies liegt an der veralteten Verarbeitungstechnologie von Quarzplatten. Ausländische Unternehmen produzieren Quarz mit einer Grundfrequenz von 35 MHz. Führende ausländische Firmen produzieren Resonatoren in Form der sogenannten inversen Mesastruktur, die mit volumetrischen Dickenscherschwingungen arbeiten, bei denen die erste harmonische Frequenz 250 MHz erreicht! Durch den Einsatz solcher Schwingquarze in Oszillatorschaltungen, in denen Systeme mit verteilten Induktivitäts- und Kapazitätsparametern als schwingungsfähige Systeme verwendet werden, lassen sich hochstabile Schwingungen bis zu einer Frequenz von 750 MHz ohne Frequenzvervielfachung erzielen! Autor: O. Belousov, Vatutino, Gebiet Tscherkassy; Veröffentlichung: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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