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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Generatori di quarzo. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Nodi di apparecchiature radioamatoriali. Generatori, eterodine La relativa instabilità della frequenza degli auto-oscillatori, eseguita su risonatori sotto forma di circuiti LC, di solito non è inferiore a 10-310 ...-4. La stabilità in frequenza del generatore dipende in modo significativo dal fattore di qualità e dalla stabilità del sistema oscillatorio. Il fattore di qualità di un circuito LC di solito non è superiore a 200 ... 300. I moderni trasmettitori e ricevitori radio sono soggetti a requisiti più elevati per la stabilità della frequenza. Di solito un'instabilità di frequenza relativa a lungo termine di almeno 10-610 ...-8, che può essere ottenuto utilizzando risonatori al quarzo. Il fattore di qualità dei risonatori al quarzo è molte volte superiore al fattore di qualità dei risonatori sui circuiti LC ed è 10410 ...6. Esistono molti circuiti di oscillatori al quarzo. Pertanto, si è reso necessario considerare nella pratica gli schemi più comunemente utilizzati. Il circuito equivalente generalmente accettato di un risonatore al quarzo è mostrato in Fig. 1. L'induttanza dinamica Ls, la capacità dinamica Cs e la resistenza alla perdita Rs sono dovute alla presenza dell'effetto piezoelettrico diretto e inverso e alle proprietà risonanti dell'elemento piezoelettrico. La capacità parallela Cp è dovuta alla capacità interelettrodo del piezoelettrico, alla capacità della custodia e al montaggio. La frequenza di risonanza del ramo dinamico è chiamata frequenza di risonanza in serie del risonatore al quarzo Fs.
Il fattore di qualità di un risonatore al quarzo Q è determinato dal ramo dinamico secondo la formula per un circuito oscillatorio in serie Q=(2pFsLs)/Rs La frequenza della risonanza parallela Fp è leggermente superiore a Fs, il che è dovuto alla risonanza parallela di Cp, Cs e Ls. Un parametro importante di un risonatore al quarzo è il rapporto tra la sua capacità parallela e dinamica, indicato con r e chiamato coefficiente capacitivo r=Cc/Cs Secondo varie fonti letterarie, il coefficiente capacitivo per il taglio AT del quarzo è 220...250. Considerando che Cs/Cp<0,1, si può usare un'espressione approssimativa per la frequenza di risonanza parallela Fp=Fs(1+(Cs/2Cp)). Per un coefficiente capacitivo r > 25, l'intervallo di risonanza, definito come la differenza tra le frequenze delle risonanze in parallelo e in serie di un risonatore al quarzo, può essere scritto come dF=Fs/2r. Alle armoniche meccaniche di un risonatore al quarzo, l'intervallo di risonanza diminuisce ed è determinato dall'espressione dFn=Fs/(2rn2) dove n è il numero armonico. Il coefficiente di capacità determina la dimensione del gap risonante del risonatore, quindi la deviazione di frequenza dell'oscillatore al quarzo controllato, la stabilità della frequenza al variare dei parametri del circuito, le condizioni per il verificarsi e il mantenimento delle oscillazioni nel circuito dell'auto-oscillatore al quarzo . Per valutare la capacità di eccitazione di un risonatore al quarzo, alcuni circuiti di oscillatori a cristallo utilizzano un parametro chiamato fattore di qualità. È definito come il rapporto tra il fattore di qualità del risonatore e il suo coefficiente capacitivo m=Q/r. Per i risonatori al quarzo, i valori di M sono compresi tra 1 e 10000. A M<2, la reattanza del risonatore risulta essere positiva (capacitiva) e non ha una regione di reazione induttiva. Di conseguenza, l'eccitazione di un tale risonatore nei circuiti degli oscillatori al quarzo che richiedono una reazione induttiva diventa impossibile. Quando M>2, il risonatore ha un'area di reazione induttiva e maggiore è il valore di M, più ampia quest'area. In pratica, i più utilizzati sono due tipi di oscillatori al quarzo: a) generatori in cui un risuonatore al quarzo fa parte di un circuito oscillatorio ed è equivalente ad un'induttanza; b) generatori, in cui il risuonatore al quarzo è incluso nel circuito di retroazione, viene utilizzato come filtro a banda stretta ed è equivalente alla resistenza attiva. Gli oscillatori a cristallo, in cui un risonatore al quarzo viene utilizzato come elemento di un circuito con reazioni induttive, sono chiamati oscillatori e gli oscillatori in cui un risonatore al quarzo è incluso nel circuito di feedback sono chiamati generatori di risonanza in serie. Il circuito oscillatore di un oscillatore al quarzo con quarzo tra il collettore e la base, realizzato secondo il circuito con un emettitore collegato a terra (capacitivo a tre punti) è mostrato in Fig. 2.
Attualmente, il tre punti capacitivo è ampiamente utilizzato nella gamma di frequenza fino a 22 MHz quando il risuonatore opera alla frequenza fondamentale e fino a 66 MHz quando eccitato alla terza armonica meccanica (Fig. 3). L'auto-oscillatore con risonatore al quarzo tra il collettore e la base in un circuito con un emettitore ad alta frequenza collegato a terra, non è soggetto a oscillazioni parassite su armoniche anarmoniche e ha un'eccellente stabilità di frequenza al variare della tensione di alimentazione e della temperatura ambiente.
L'influenza delle variazioni dei parametri reattivi del transistor, a seconda della tensione di alimentazione e del tempo, si indebolisce con l'aumentare delle capacità C1, C3 (Fig. 2), ad es. quando la frequenza operativa dell'auto-oscillatore si avvicina a Fg. Tuttavia un aumento eccessivo della capacità porta ad un peggioramento delle condizioni di autoeccitazione. D'altra parte, con l'aumentare delle capacità, aumenta la potenza dissipata nel risonatore, il che porta ad un aumento dell'instabilità della frequenza generata. A seconda delle condizioni tecniche, la potenza dissipata sul quarzo è limitata a 1...2 mW. Tuttavia, nel campo di frequenza 1...22 MHz con tale potenza dissipata, la frequenza della risonanza serie dipende dalla potenza dissipata, e il coefficiente di proporzionalità è (0,5...2) •10-9 Hz/μW, quindi , per generatori altamente stabili, la potenza dissipata dal risonatore deve essere limitata a 0,1...0,2 mW. In pratica, si consiglia di scegliere le capacità C1, C3 in modo che la frequenza di generazione non sia superiore a un quarto dell'intervallo di risonanza da Fs. Quando il risonatore al quarzo viene eccitato alle armoniche meccaniche dispari del quarzo, al posto del resistore R3, viene acceso un induttore Lk (Fig. 3). Alla frequenza di generazione, il circuito Lk-C4 deve avere una capacità, ad es. la sua frequenza di risonanza deve essere inferiore alla frequenza di generazione. I parametri del circuito devono essere scelti in modo che la sua frequenza naturale sia 0,7 ... 0,8 della frequenza di generazione. Di conseguenza, il circuito ha una conduzione capacitiva alla frequenza dell'armonica richiesta, che elimina la possibilità di generazione alle armoniche inferiori e alla frequenza fondamentale. Nei generatori di oscillatori che operano a frequenze superiori a 22 MHz, il risonatore è solitamente eccitato alla 3a o 5a armonica, ma non a quelle superiori, poiché l'effetto della capacità parallela è forte. Più spesso di quanto mostrato in Fig. 2, un circuito capacitivo a tre punti di un oscillatore al quarzo con un risonatore al quarzo tra il collettore e la base viene utilizzato nel circuito per accendere un transistor con un collettore messo a terra (Fig. 4). Questo circuito è particolarmente utile per oscillatori sintonizzabili elettronicamente (quando collegati in serie con il varicap Quartz) e ha meno elementi di blocco rispetto al circuito dell'emettitore con messa a terra. Molti esperti nel campo degli oscillatori al quarzo considerano il tre punti capacitivo il migliore di tutti i circuiti di oscillatori a cristallo che operano sulla fondamentale o 3a armonica meccanica del risonatore. Va notato che esiste un circuito capacitivo a tre punti che non contiene induttanza, che è eccitato alla 3a e 5a armonica.
Oscillatore automatico con quarzo nel circuito. Se, nel circuito di Fig. 4, un induttore L1 è collegato in serie al quarzo, ciò porterà alla comparsa di nuove proprietà, ad es. nel generatore (Fig. 5) sono possibili auto-oscillazioni non stabilizzate da un risonatore al quarzo.
Alle alte frequenze, dove la reattanza della capacità parallela del risonatore è inferiore alla reattanza del ramo dinamico del risonatore al quarzo, è possibile l'autoeccitazione attraverso la capacità parallela Cp. La presenza dell'induttanza L1 significa che è possibile eseguire il bilanciamento di fase alla frequenza di risonanza in serie, nonché in una certa regione di disaccordo al di sotto della frequenza di risonanza in serie. L'induttanza L1 garantisce l'equilibrio di fase in condizioni in cui M<2 e la reattanza equivalente del quarzo non possono essere induttive. Ciò significa che un generatore con quarzo nel circuito può funzionare a frequenze più elevate e un numero maggiore di armoniche meccaniche del risuonatore al quarzo. Per escludere l'autoeccitazione parassita attraverso una capacità parallela Cp, che è molto probabile ad alte frequenze e armoniche meccaniche superiori, un resistore R1 è collegato in parallelo al risonatore, che introduce perdite nel circuito di autoeccitazione parassita. È possibile ridurre i requisiti per l'attività di un risonatore al quarzo alle armoniche meccaniche utilizzando circuiti generatori di risonanza seriali. Poiché con un aumento della frequenza e del numero armonico, l'attività del risonatore al quarzo diminuisce a causa dell'aumento della sua resistenza equivalente e dell'aumento dell'effetto di derivazione della capacità statica (parallela) Ср, è necessario neutralizzare o compensare esso. La neutralizzazione può essere eseguita in un circuito a ponte, in cui il quarzo è posto in uno dei bracci di un ponte bilanciato. Autooscillatore a ponte di risonanza in serie. Nel circuito di Fig. 6, con l'esatto bilanciamento del ponte (Cp=C2, XL1-2=XL2-3), il feedback viene effettuato solo attraverso il ramo dinamico del risuonatore. Sull'armonica meccanica del risuonatore al quarzo, la conducibilità del ramo in serie del risuonatore aumenta bruscamente, il ponte è sbilanciato e con un'opportuna scelta degli elementi circuitali il generatore viene eccitato. L'anello L1-C3 deve essere sintonizzato sulla frequenza armonica desiderata.
In questo schema è possibile eccitare risonatori al quarzo alla 5a o 7a armonica. Gli schemi con neutralizzazione della capacità statica del risonatore sono molto critici per la modalità operativa e difficili da regolare, sebbene possano essere utilizzati a frequenze fino a 100 MHz. Il limite di frequenza superiore dell'oscillatore con neutralizzazione è dovuto alla difficoltà di ottenere una grande resistenza dell'anello equivalente all'aumentare della frequenza, poiché la capacità iniziale dell'anello non può essere ridotta a causa di capacità parassite. Lo schema Butler (Fig. 7) è caratterizzato dalla maggiore resistenza ai fattori destabilizzanti nell'intervallo fino a 100 MHz. Il limite superiore delle frequenze generate è dovuto al deterioramento delle proprietà dell'emettitore follower. Nel circuito Butler, un risuonatore al quarzo è incluso nel circuito di feedback tra gli emettitori dei transistor. Il transistor VT1 è collegato secondo lo schema con un collettore comune e il transistor VT2 - con una base comune. Lo svantaggio di questo circuito è la tendenza all'autoeccitazione parassitaria dovuta al collegamento dell'uscita con l'ingresso tramite un parallelo al quarzo di capacità Cp. Per eliminare questo fenomeno si collega in parallelo al quarzo un induttore che forma, insieme alla capacità in parallelo del quarzo, un circuito risonante sintonizzato sulla frequenza dell'oscillazione parassita.
Autogeneratore secondo il circuito Butler su un transistor con compensazione Av. A frequenze fino a 300 MHz, è consigliabile utilizzare circuiti di filtro a stadio singolo, ad esempio un circuito di filtro con una base comune (Fig. 8). Essenzialmente, un tale auto-oscillatore è un amplificatore a stadio singolo in cui il circuito è collegato all'emettitore di un transistor bipolare attraverso un risonatore al quarzo che funge da filtro a banda stretta. Il circuito formato dalla capacità parallela del quarzo Cp e dalla bobina L2 è sintonizzato sulla frequenza dell'armonica utilizzata. All'aumentare della frequenza operativa, aumentano le conduttanze equivalenti del transistor, vale a dire il soddisfacimento delle condizioni di autoeccitazione peggiora. Tuttavia, nonostante ciò, le condizioni per l'autoeccitazione di questo auto-oscillatore alle alte frequenze sono più facili da soddisfare rispetto agli auto-oscillatori con quarzo tra il collettore e la base e quarzo nel circuito, il che ne determina il vantaggio.
In conclusione, va notato che i circuiti considerati di oscillatori al quarzo non esauriscono l'intera varietà di circuiti oscillatori stabilizzati da un risonatore al quarzo, e la scelta di un circuito è decisamente influenzata dalla presenza di risonatori al quarzo con i necessari parametri equivalenti, requisiti per potenza di uscita, potenza dissipata nel risonatore, frequenze di stabilità a lungo termine, ecc. Un po' di risonatori. Quando si sceglie un risuonatore per il generatore, è necessario prestare particolare attenzione al fattore di qualità del risuonatore: maggiore è, più stabile è la frequenza. I risonatori sottovuoto hanno il più alto fattore di qualità. Ma migliore è il risonatore, più è costoso. Spesso ci sono risonatori con un alto livello di risonanze laterali. In URSS, oltre ai risonatori al quarzo, i risonatori venivano prodotti da niobato di litio (contrassegnato come PH o RM), tantalato di litio (contrassegnato come RT) e da altri piezoelettrici. Poiché i parametri equivalenti di tali risonatori differiscono da quelli dei risonatori al quarzo, potrebbero non essere pilotati in circuiti in cui il quarzo funziona perfettamente, sebbene la frequenza indicata sulla custodia possa essere la stessa. Potrebbero avere una stabilità di frequenza e una precisione di sintonizzazione peggiori. Le imprese dell'URSS, di regola, producevano risonatori al quarzo con una frequenza fondamentale fino a 20 ... 22 MHz e oltre - su armoniche meccaniche. Ciò è dovuto alla tecnologia di lavorazione obsoleta delle lastre di quarzo. Le imprese straniere producono quarzo con una frequenza fondamentale di 35 MHz. Primarie aziende estere producono risonatori sotto forma della cosiddetta struttura a mesa inversa, operanti su vibrazioni di taglio a spessore volumetrico, in cui la prima frequenza armonica raggiunge i 250 MHz! Utilizzando tali risonatori al quarzo in circuiti oscillatori, in cui sistemi con induttanza distribuita e parametri di capacità vengono utilizzati come sistemi oscillatori, è possibile ottenere oscillazioni altamente stabili fino a una frequenza di 750 MHz senza moltiplicazione di frequenza! Autore: O. Belousov, Vatutino, regione di Cherkasy; Pubblicazione: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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