ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Oscillatori al quarzo basati sulle armoniche. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Progettista radioamatore Utilizzando i circuiti degli oscillatori al quarzo senza ciclo (CG) dell'autore [1, 2], è possibile ottenere la generazione non solo sulla prima armonica (fondamentale) del quarzo, ma anche sulla sua terza armonica. È interessante notare che in questi circuiti operano alla terza armonica sia i quarzi appositamente progettati per generare armoniche (le cosiddette armoniche), sia quelli ordinari. Tuttavia, i circuiti di cui sopra sono lungi dall'esaurire la progettazione circuitale degli oscillatori al quarzo armonici senza ciclo. Un altro circuito della famiglia di tali oscillatori su un transistor bipolare è mostrato in Fig. 1. Tale CG è più semplice degli schemi di [1, 2]. A prima vista, questo circuito è simile al noto circuito capacitivo "a tre punti", ma differisce dal circuito "classico". Al generatore manca uno dei condensatori di retroazione (tra base ed emettitore del transistor) rispetto al circuito “classico” KG. Oltre a ridurre il numero di elementi, il circuito presenta altri vantaggi: il CG “classico” genera esclusivamente alla prima armonica del quarzo. In numerosi esperimenti l'autore non è mai riuscito ad ottenere la generazione alla terza armonica (meccanica). Il circuito mostrato in Fig. 1, con una capacità C3 abbastanza piccola (di solito diverse decine di picofarad), inizia facilmente alla terza armonica del quarzo. Allo stesso tempo, all'aumentare della capacità C3, il livello della tensione HF in uscita del CG diminuisce gradualmente (anche la frequenza delle oscillazioni generate diminuisce leggermente da decine a centinaia di hertz). Con un ulteriore aumento di C3, il generatore passa alla regione delle oscillazioni a doppia frequenza, e quindi le oscillazioni generate “saltano” alla prima armonica della frequenza. L'ampiezza delle oscillazioni generate aumenta nuovamente.
Con un aumento ancora maggiore di C3, si verifica una graduale diminuzione dell'ampiezza delle oscillazioni, accompagnata da una leggera diminuzione della frequenza e, infine, con una capacità sufficientemente grande di C3 (ad esempio, diversi nanofarad per il quarzo ad una frequenza di 27 MHz), le oscillazioni del baricentro vengono interrotte. L'immagine dei fenomeni che si verificano nel CG all'aumentare della capacità C3 è mostrata in Fig. 2.
L'ampiezza della tensione di uscita del CG durante la generazione alla prima armonica (per il quarzo “armonico”) risulta essere maggiore rispetto alla generazione alla terza armonica (per lo stesso quarzo). Pertanto, nella Fig. La Figura 2 presenta il caso più generale in cui il quarzo può generare generazione sia alla prima che alla terza armonica meccanica. A volte (molto raramente) si trovano quarzi che generano solo alla prima armonica. In questo caso, nella Fig. 2, rimane solo un picco (quello destro), e il picco sinistro e la regione delle oscillazioni a due frequenze scompaiono. Per osservare i “salti” nella frequenza del baricentro quando cambia la capacità C3, è necessario collegare un oscilloscopio RF e un frequenzimetro al baricentro attraverso buoni stadi buffer (con una resistenza di ingresso superiore a 10 kOhm e una capacità di ingresso di non più di qualche picofarad). Come C3 viene utilizzato un KPI (12...495 pF), che è incluso nel circuito CG direttamente o tramite piccoli condensatori (diverse decine di picofarad). Il collegamento del KPI alla scheda KG viene effettuato con fili spessi non isolati della minima lunghezza possibile. Tuttavia, dal punto di vista pratico, lo schema presentato in Fig. 3. In questo caso i requisiti per la fase tampone sono notevolmente ridotti. Tuttavia, anche quando si utilizza un circuito CG di questo tipo come parte di un ricevitore o ricetrasmettitore, è ancora desiderabile uno stadio buffer (almeno quello più semplice). È inoltre necessario stabilizzare l'alimentazione dei circuiti CG di cui sopra. Particolare attenzione dovrebbe essere prestata ai valori dei resistori nei circuiti (Fig. 1 e 3): non possono essere modificati entro ampi limiti. Quindi, per lo schema CG secondo la Fig. 1 con una tensione di alimentazione di 9...12 V deve essere soddisfatta la seguente condizione: R1=R2=20*R3; R3 = 470...2000 ohm (1) KG secondo la fig. 3 alla stessa tensione di alimentazione richiede le seguenti condizioni: R1 \u2d R20 \u4d 3 * R4 (su RXNUMX "RXNUMX); R4 = 470.. 2000 Ohm, (2) o R1=20*R4; R2 = 10*R4 (con R3 ~= R4); R4 = 470...2000 Ohm; R3 <= 1000 Ohm. (3) Solo se le condizioni (1), (2) o (3) sono soddisfatte i circuiti CG si comporteranno come descritto sopra. La selezione dei valori del resistore di polarizzazione viene effettuata utilizzando le raccomandazioni di [3]. La resistenza di uscita del CG (Fig. 3) è quasi uguale a R3.
Le cascate buffer per tali CG possono essere utilizzate come in [2]. Va però sempre ricordato che lo stadio buffer può differenziare (e in alcuni casi integrare) il segnale di ingresso, il che porta ad una distorsione della forma d'onda nel caso di segnali sinusoidali. Gli schemi CG di cui sopra possono essere raccomandati per un uso diffuso nella progettazione di radioamatori. Particolarmente riuscito, a parere dell’autore, è il diagramma di Fig. 3, avente un'uscita RF da 50 ohm (con valori R1=R2=10 kOhm, R3=51 Ohm). Questi circuiti CG sono, secondo la classificazione [5], “a due punti”, in grado di funzionare sia sulla prima che sulla terza armonica del quarzo. Ad esempio, il quarzo RK-169 nel circuito mostrato in Fig. 3 (R3=51 Ohm) generato con frequenza di 27411 kHz a C3=51 pF, e con frequenza di 9142,42 kHz a C3=330 pF, mentre sul corpo in quarzo era indicata la frequenza di 27,41 MHz. Consideriamo ora i generatori progettati dall'autore sulla base del prototipo: il generatore Pierce, che è un generatore con accoppiamento capacitivo tramite condensatori C2 e C4 (Fig. 4).
Un risonatore al quarzo, quando funziona in un oscillatore Pierce, ha una reattanza induttiva, quindi tale oscillatore funziona nell'intervallo di frequenza situato tra la frequenza della serie fs e la risonanza parallela del quarzo fp. Secondo [4], il quarzo in questo generatore genera ad una frequenza vicina a fp, ma in [6] si nota che la frequenza di generazione è più vicina a fs che a fp. A questo proposito, la divisione di tali CG in generatori di risonanza seriali e paralleli non ha del tutto successo a causa della dipendenza della frequenza generata dai valori di reattività inclusi nel circuito (ad esempio, in Fig. 5 questi sono C2 e C4).
Nella fig. 4, i resistori R1 e R2 formano un partitore di tensione per creare la tensione di polarizzazione richiesta per la base del transistor VT1. Per ottenere stabilità alle alte temperature del punto operativo, viene utilizzato il circuito DC OOS R3-C3. I condensatori C1 e C3 sono condensatori di blocco; se hanno una capacità sufficiente, non influenzano la frequenza del CG. Allo stesso tempo, i condensatori C2 e C4 sono direttamente coinvolti nella generazione delle oscillazioni e la frequenza dipende dalla loro capacità. La resistenza della reattanza (induttiva) dell'induttore L1 è molto elevata (molto maggiore della reattanza dei condensatori C2, C4 e del quarzo ZQ1), pertanto il ruolo dell'induttore L1 nel circuito Pierce CG è ridotto esclusivamente alla separazione delle correnti continue e HF . Per questo motivo L1 può essere sostituito da qualche altra fonte di corrente (anche un resistore). Va notato in particolare che l'uso di tali induttanze (specialmente con un valore elevato del fattore di qualità Q) in alcuni casi può portare all'eccitazione del generatore per niente alle frequenze del quarzo. L'introduzione della manetta riduce l'affidabilità del baricentro, quindi se possibile è meglio abbandonarla. Lo schema di funzionamento del CG è mostrato in Fig. 5. Scegliendo le capacità dei condensatori C2=C3 sufficientemente piccole, otteniamo la generazione alla terza armonica del quarzo. All’aumentare di queste capacità, l’immagine mostrata in Fig. 2 inizia a ripetersi. XNUMX, e per valori sufficientemente grandi di queste capacità otteniamo la generazione alla prima armonica del quarzo. I transistor VT2 e VT3 vengono utilizzati come cascata buffer, composta da follower di emettitori collegati uno dopo l'altro. I resistori R3 e R7 sono antiparassitari e servono ad aumentare la stabilità della cascata buffer. Se accettiamo che C2 = C3, allora quando il CG opera alla terza armonica, queste capacità possono essere determinate dall'espressione C2 \u3d CXNUMX \uXNUMXd L, (pF) dove L è la lunghezza d'onda della terza armonica, m. Per un funzionamento affidabile alla prima armonica, queste capacità devono essere scelte 3, o meglio ancora 5 volte più grandi. Nella fig. La Figura 6 mostra uno schema di un collegamento RF a un voltmetro con un'elevata impedenza di ingresso, con l'aiuto del quale la tensione RF sul collettore VT1 è stata determinata utilizzando un grafico di calibrazione (Fig. 5). Il set-top box è collegato a un voltmetro ad alta resistenza (RBX>1 MOhm) nella modalità di misurazione della tensione CC.
I dati ottenuti per uno dei quarzi armonici (46,516 MHz) sono presentati nella Tabella 1. Come si può vedere dalla tabella, per il quarzo ad una frequenza di circa 50 MHz, le capacità del circuito e del transistor stesso sono sufficienti. Per il quarzo a 27 MHz, la generazione della terza armonica non si osserva in assenza di C2 e C3. I transistor bipolari (BT) utilizzati per costruire oscillatori al quarzo (CG) sono caratterizzati da capacità abbastanza grandi tra gli elettrodi (Sbe, CKg, Ske), inerenti al transistor stesso. Le chiameremo capacità interne del transistor. A causa delle significative capacità interne del BT, il funzionamento del CG su questi transistor è determinato non solo dalle capacità dei condensatori, ma anche dalle capacità interne del BT. I transistor a effetto di campo a microonde (FET) con uno o due gate isolati hanno capacità interne molto piccole, che sono un ordine di grandezza (o anche più) inferiore alle capacità interne dei BT RF. Pertanto, il funzionamento del baricentro su una corrente continua a microonde sarà determinato principalmente solo dalle capacità dei condensatori, nonché dalle capacità parassite dell'installazione. Il circuito CG proposto sul PT (Fig. 7) è basato su un source follower. Poiché i PT a microonde con due gate isolati sono attualmente i più utilizzati e per confrontare il funzionamento del CG su transistor bipolari e ad effetto di campo, è necessario un PT a gate singolo, tale PT si ottiene da uno a gate doppio collegando le sue porte insieme. Considerando che i PT a microonde utilizzati funzionano nella gamma di frequenze fino a diversi gigahertz, sono molto inclini all'autoeccitazione (le tracce stampate sulla scheda "funzionano" come una sorta di circuito a microonde).
Per eliminare l'autoeccitazione, l'autore ha utilizzato resistori SMD antiparassitari a bassa resistenza, il cui valore è stato selezionato sperimentalmente (in Fig. 7 questi sono R3 e R4). Tali resistori SMD sono saldati ai pin PT, accorciati alla lunghezza minima possibile per l'installazione, per eliminare lo spostamento della frequenza del baricentro durante le misurazioni, ad esso è collegata una cascata buffer di follower di sorgente ed emettitore collegati in serie. Il diagramma completo del CG studiato su una DC a microonde è mostrato in Fig. 8. Questa cascata buffer ha proprietà significativamente migliori rispetto alla cascata buffer dell'HF BT (Fig. 5).
A prima vista, i circuiti CG su BT e PT sono gli stessi nel principio di funzionamento (entrambi i circuiti sono realizzati sulla base di inseguitori di tensione a banda larga), ma gli esperimenti hanno dimostrato che si comportano diversamente. Nel CG sul BT (Fig. 1), con una certa (piccola) capacità del condensatore nel circuito di emettitore del transistor, la generazione avviene alla terza armonica. All'aumentare della capacità del condensatore, la generazione avviene ancora con la stessa armonica del quarzo. E solo con un ulteriore aumento della capacità del condensatore specificato il generatore si sposta nella regione delle oscillazioni complesse. La zona di oscillazioni complesse viene solitamente osservata in un intervallo piuttosto ristretto di variazioni della capacità del condensatore (frazioni ... unità di picofarad). Nella stessa regione c'è un picco (massimo) della tensione di uscita. Un ulteriore aumento della capacità del condensatore porta alla generazione di quarzo alla prima armonica meccanica. In un CG su un PT a microonde, quando si utilizza un quarzo a frequenza sufficientemente bassa (ad esempio, con la prima armonica meccanica di circa 9 MHz), non si osserva affatto il cambiamento di stato sopra descritto, il che può, in prima approssimazione, essere spiegato dalle capacità interne molto piccole del PT. Per verificare questa ipotesi utilizzando un condensatore appositamente incluso (6,8 pF), indicato in Fig. 7 e 8 come Szi, la corrispondente capacità del transistor è stata aumentata artificialmente, il che rende comparabile il funzionamento del CG su BT e PT. I dati per il CG sulla CC (frequenza e tensione di uscita) senza condensatore sono presentati nella Tabella 2. Nella tabella La Figura 3 mostra i dati relativi al caso in cui è stato installato un condensatore aggiuntivo con una capacità di 6,8 pF. In questo caso è stato utilizzato lo stesso quarzo (27668 kHz) e le resistenze R1=R2=20 kOhm. Dopo aver installato il condensatore aggiuntivo Szi, il CG in questione ha cominciato a comportarsi in modo simile al CG del BT. Se il CG sul PT funziona con quarzo ad alta frequenza (ad esempio quarzo con la prima armonica meccanica di circa 15 MHz), la capacità interna del PT stesso (Szi) è già abbastanza sufficiente per il normale funzionamento del CG . I dati per CG con quarzo ad alta frequenza sono presentati nella tabella. 4 (a 46,516 MHz). In questo caso R1=R2=20 kOhm. Dipendenza della frequenza e della tensione di uscita dal valore di C3 dalla tabella. 2 e 3 sono rappresentati graficamente in Fig. 9 e 10, e dalla tabella. 4 - nella fig. undici.
Osservazioni: 1 A C3=20 pf c'è una zona di oscillazioni a due frequenze. 2 Se R1=R2=1 MΩ, la generazione avviene solo ad una frequenza di 15,52 MHz Il generatore e i transistor dello stadio buffer di tutti i circuiti CG considerati operano a livelli significativi di segnali RF e quindi introducono significative distorsioni non lineari. All'uscita del CG sono presenti anche armoniche elettriche del segnale ad un livello significativo. La frequenza di queste armoniche è un numero intero di volte maggiore della frequenza fondamentale (cioè la prima armonica). Quando il quarzo funziona, ad esempio, ad una frequenza di 9 MHz, all'uscita CG saranno presenti anche frequenze di 18, 27, 36, 45 MHz, ecc. Tuttavia, di regola, queste armoniche superiori sono di un ordine di grandezza o più deboli della prima armonica. Le armoniche meccaniche del quarzo non sono esattamente un numero intero di volte maggiori l'una dell'altra. Pertanto, la prima e la terza armonica meccanica del quarzo differiranno in frequenza di un fattore diverso da tre. Utilizzando questa caratteristica delle armoniche meccaniche del quarzo, è possibile distinguere tra le armoniche meccaniche effettive e le armoniche elettriche. Ad esempio, utilizzando i dati della Tabella 1, otteniamo il rapporto di frequenza f3/f1 = (46518,46+46518,15)*2/(2*(15516,82+15513,54))=46518,3/15515,18=2,998 (4) La frequenza dei risonatori sulle armoniche meccaniche è determinata, secondo [9], dall'espressione fn = n(1 -Yn)*f1, (5) dove fn è la frequenza dell'n-esima armonica meccanica del quarzo, n è il numero dell'armonica corrispondente (in questo caso un intero dispari), f1 è la frequenza della prima armonica meccanica del quarzo, Yn è un fattore di correzione dipendente dalla numero armonico. Ad esempio, Y3=0,001 [9] Pertanto, l'espressione (5) per la terza armonica meccanica assume la forma: f3=3*(1-0,001)*f1, (6) donde f3/f1 = 3*(1 -0,001) = 2,997 (7) Poiché i valori numerici delle espressioni (4) e (7) praticamente coincidono, possiamo dire che la generazione nel generatore è possibile sia sulla prima che sulla terza armonica meccanica del quarzo. La regione delle oscillazioni complesse (Fig. 2) esiste in tutti i circuiti CG discussi sopra e può essere rilevata collegando un oscilloscopio all'uscita CG. Sullo schermo si osserva un'immagine complessa, lontana da una normale sinusoide. Nella zona delle oscillazioni complesse coesistono oscillazioni sia della prima che della terza armonica meccanica: un aumento della capacità del condensatore corrispondente (C3) porta ad una diminuzione dell'ampiezza della terza armonica e ad un aumento dell'ampiezza della prima . In tutti i CG considerati, quando si genera alla prima armonica meccanica, la tensione di uscita risulta essere leggermente superiore rispetto a quando si genera alla terza. Le oscillazioni con la frequenza della prima armonica meccanica sono sempre “più forti” delle oscillazioni con la frequenza della terza, pertanto, la tensione di uscita del CG aumenta nella regione delle oscillazioni a due frequenze con un aumento della capacità del “controllo "condensatore (C3). L'aumento della capacità del condensatore di “controllo” al di fuori della zona delle oscillazioni a due frequenze porta, al contrario, ad una diminuzione della tensione di uscita del generatore. Le differenze osservate nel funzionamento del CG sul BT e sul PT, nonché il funzionamento anomalo del CG sul PT nel caso di utilizzo di quarzo a frequenza sufficientemente bassa, sono dovute alla differenza nei valori di Sbe per il BT e Szi per il PT (Sbe"Szi). Se confrontiamo Sbe e Szi collegando una capacità aggiuntiva Sdop (Sdop ~= Szi) tra gate e source del PT, il CG sul BT e il PT iniziano comportarsi approssimativamente allo stesso modo. Poiché tutti i circuiti CG discussi sopra operano sia sulla prima che sulla terza armonica meccanica del quarzo, per l'analisi può essere utilizzato un circuito al quarzo equivalente, mostrato in Fig. 12.
Utilizzando un tale circuito al quarzo, si può immaginare il circuito equivalente di un generatore DC secondo la Fig. 13.
Tutti i circuiti CG considerati non contengono circuiti oscillatori (risonanti), ad eccezione del quarzo stesso. Ciò semplifica enormemente la produzione e la messa a punto di tali CG armonici selezionando principalmente solo la capacità del condensatore di “controllo”. Letteratura
Autore: V.Artemenko, UT5UDJ, Kiev Vedi altri articoli sezione Progettista radioamatore. Leggere e scrivere utile commenti su questo articolo. Ultime notizie di scienza e tecnologia, nuova elettronica: Macchina per diradare i fiori nei giardini
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