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Osciladores de quartzo em harmônicos. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Utilizando os circuitos de osciladores de quartzo loopless (CG) do autor [1, 2], é possível obter geração não só no primeiro harmônico (fundamental) do quartzo, mas também no seu terceiro harmônico. Ao mesmo tempo, é interessante notar que nesses circuitos, tanto o quartzo especialmente projetado para gerar harmônicos (os chamados harmônicos) quanto os comuns trabalham no terceiro harmônico.

No entanto, os circuitos acima estão longe de esgotar os circuitos dos osciladores de quartzo harmônicos sem circuitos. Outro circuito da família desses geradores baseados em um transistor bipolar é mostrado na Fig. 1. Tal CH é mais simples do que os esquemas de [1, 2].

À primeira vista, este circuito se parece com o conhecido circuito capacitivo de "três pontos", mas difere do circuito "clássico". O gerador carece de um dos capacitores de realimentação (entre a base e o emissor do transistor) em comparação com o circuito KG "clássico".

Além de reduzir o número de elementos, o circuito tem outras vantagens: "Classic" KG gera exclusivamente no primeiro harmônico do quartzo. O autor em numerosos experimentos nunca conseguiu obter geração no terceiro harmônico (mecânico). O circuito mostrado na Fig. 1, com uma capacitância C3 suficientemente pequena (geralmente várias dezenas de picofarads), começa facilmente no terceiro harmônico do quartzo. Ao mesmo tempo, à medida que a capacitância C3 aumenta, o nível da tensão de RF de saída do KG diminui gradualmente (a frequência das oscilações geradas também diminui ligeiramente em dezenas - centenas de hertz). A amplitude das oscilações geradas neste caso aumenta novamente.

Osciladores de cristal em harmônicos
Fig. 1

Com um aumento ainda maior em C3, ocorre uma diminuição gradual na amplitude de oscilação, acompanhada por uma ligeira diminuição na frequência e, finalmente, em uma capacitância C3 suficientemente grande (por exemplo, vários nanofarads para quartzo na frequência de 27 MHz), as oscilações de KG quebram. A imagem dos fenômenos que ocorrem no CG à medida que a capacitância C3 aumenta é mostrada na fig. 2.

Osciladores de cristal em harmônicos
Fig. 2

A amplitude da tensão de saída do KG durante a geração no primeiro harmônico (para quartzo "harmônico") acaba sendo maior do que durante a geração no terceiro harmônico (para o mesmo quartzo). Assim, na fig. A Figura 2 mostra o caso mais geral, quando a geração é possível para quartzo tanto no primeiro quanto no terceiro harmônico mecânico.

Às vezes (muito raramente) ainda existem quartzos que geram apenas no primeiro harmônico. Neste caso, na Fig. 2, apenas um pico (à direita) permanece, enquanto o pico esquerdo e a região de oscilações de duas frequências desaparecem. Para observar "saltos" na frequência KG quando a capacitância C3 muda, é necessário conectar um osciloscópio de RF e um frequencímetro ao KG através de bons estágios de buffer (com uma resistência de entrada de mais de 10 kΩ e uma capacitância de entrada de não mais do que alguns picofarads).

Como C3, é usado KPI (12 ... 495 pF), que está incluído no circuito KG diretamente ou através de pequenas capacitâncias (várias dezenas de picofarads). O KPI é conectado à placa KG com fios grossos não isolados de comprimento mínimo possível.

No entanto, do ponto de vista do uso prático, o esquema mostrado na Fig. 3. Nesse caso, os requisitos para o estágio de buffer são significativamente reduzidos. No entanto, mesmo quando tal circuito KG é usado como parte de um receptor ou transceptor, um estágio de buffer (pelo menos o mais simples) ainda é desejável. Também é necessário estabilizar a fonte de alimentação dos circuitos KG acima. Atenção especial deve ser dada aos valores dos resistores nos circuitos (Fig. 1 e 3): eles não podem ser alterados em uma ampla faixa. Então, para o esquema KG de acordo com a Fig. 1 com uma tensão de alimentação de 9 ... 12 V, a seguinte condição deve ser atendida:

R1=R2=20*R3;

R3 = 470...2000 ohms (1)

KG de acordo com a fig. 3 na mesma tensão de alimentação requer as seguintes condições:

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

R4 = 470.. 2000 Ohm, (2)

ou

R1 = 20*R4;

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

R4 = 470...2000 Ohm;

R3 <= 1000 Ohm. (3)

Somente quando as condições (1), (2) ou (3) forem atendidas, os esquemas de CG se comportarão como descrito acima.

A escolha dos resistores de polarização é feita usando as recomendações de [3]. A impedância de saída do KG (Fig. 3) é quase igual a R3.

Osciladores de cristal em harmônicos
Fig. 3

Os estágios de buffer para tais CGs podem ser usados ​​da mesma forma que em [2]. No entanto, você deve sempre lembrar que o estágio de buffer pode diferenciar (e em alguns casos integrar) o sinal de entrada, o que leva à distorção da forma de onda no caso de sinais senoidais.

Os esquemas de KG acima podem ser recomendados para uso amplo em projetos de rádio amador. Particularmente bem-sucedido, segundo o autor, é o diagrama da Fig. 3, que possui uma saída de RF de 50 ohms (em classificações R1=R2=10 kOhm, R3=51 Ohm).

Esses esquemas de KG são, segundo a classificação [5], "dois pontos", capazes de operar tanto no primeiro quanto no terceiro harmônico do quartzo. Por exemplo, quartzo RK-169 no esquema de acordo com a fig. 3 (R3=51 Ohm) gerado na frequência de 27411 kHz em C3=51 pF, e na frequência de 9142,42 kHz em C3=330 pF, enquanto a frequência de 27,41 MHz foi indicada no corpo de quartzo.

Agora considere os geradores projetados pelo autor com base no protótipo - o gerador Pierce, que é um gerador com acoplamento capacitivo através dos capacitores C2 e C4 (Fig. 4).

Osciladores de cristal em harmônicos
Fig. 4

O ressonador de quartzo, ao operar em um oscilador Pierce, possui uma reatância indutiva, portanto tal oscilador opera na faixa de frequência entre a frequência da série fs e paralela fp da ressonância de quartzo. Segundo [4], o quartzo neste gerador gera em uma frequência próxima a fp, porém, em [6] nota-se que a frequência de geração é mais próxima de fs do que de fp. Nesse sentido, a divisão desses CGs em geradores de ressonância em série e paralelo não é totalmente bem-sucedida devido à dependência da frequência gerada dos valores de reatividade incluídos no circuito (por exemplo, na Fig. 5 são C2 e C4 ).

Osciladores de cristal em harmônicos
Fig. 5

Na fig. 4 resistores R1 e R2 formam um divisor de tensão para criar a tensão de polarização necessária da base do transistor VT1. Para obter uma estabilidade de alta temperatura do ponto de operação, um circuito OOS para corrente contínua R3-C3 é usado.

Os capacitores C1 e C3 são capacitores de bloqueio; com capacidade suficiente, eles não afetam a frequência do KG. Ao mesmo tempo, os capacitores C2 e C4 estão diretamente envolvidos na geração de oscilações, e a frequência depende de sua capacitância. A resistência reativa (indutiva) do indutor L1 é muito grande (muito mais do que as reatâncias dos capacitores C2, C4 e quartzo ZQ1), então o papel do indutor L1 no circuito Pierce KG é reduzido apenas à separação de DC e correntes de RF. Por esta razão, L1 pode ser substituído por alguma outra fonte de corrente (até mesmo um resistor). Deve-se notar especialmente que o uso de tais indutores (especialmente com um fator de alta qualidade Q) em alguns casos pode levar à excitação do gerador de forma alguma nas frequências de quartzo. A introdução de um acelerador reduz a confiabilidade do CG, por isso é melhor abandoná-lo se possível.

O diagrama de funcionamento do CG é mostrado na fig. 5. Escolhendo as capacitâncias dos capacitores C2=C3 suficientemente pequenas, obtemos geração no terceiro harmônico do quartzo. À medida que essas capacitâncias aumentam, o padrão mostrado na Fig. 2, e para valores suficientemente grandes dessas capacitâncias, obtemos geração no primeiro harmônico do quartzo.

Nos transistores VT2 e VT3, é feito um estágio de buffer, que é um seguidor de emissor conectado um após o outro. Os resistores R3 e R7 são antiparasitários, servem para aumentar a estabilidade do estágio tampão. Se aceitarmos que С2=С3, então quando o KG opera no terceiro harmônico, essas capacitâncias podem ser determinadas a partir da expressão

C2 \u3d CXNUMX \uXNUMXd L, (pF)

onde L é o comprimento de onda para o terceiro harmônico, m.

Para uma operação confiável no primeiro harmônico, essas capacitâncias devem ser escolhidas 3 e, de preferência, 5 vezes maiores.

Na fig. A Figura 6 mostra um diagrama de uma conexão de RF a um voltímetro com alta resistência de entrada, com a ajuda da qual, e usando uma curva de calibração, foi determinada a tensão de RF no coletor VT1 (Fig. 5). O prefixo é conectado a um voltímetro de alta resistência (RBX> 1 MΩ) no modo de medição de tensão CC.

Osciladores de cristal em harmônicos
Fig. 6

Os dados obtidos para um dos harmônicos de quartzo (46,516 MHz) são apresentados na Tabela 1. Como pode ser visto na tabela, para quartzo com frequência de cerca de 50 MHz, as capacidades que a placa de circuito e o próprio transistor possuem são suficientes. Para o quartzo a 27 MHz, não é observada geração no terceiro harmônico na ausência de C2 e C3.

Os transistores bipolares (BT) usados ​​para construir os osciladores de quartzo (CG) são caracterizados por capacitâncias suficientemente grandes entre os eletrodos (Cbe, CKg, Cke), inerentes ao próprio transistor. Vamos chamá-los de capacitâncias internas do transistor. Devido às capacitâncias internas significativas do BT, a operação do KG nesses transistores já é determinada não apenas pelas capacitâncias dos capacitores, mas também pelas capacitâncias internas do BT . Os transistores de efeito de campo (FETs) de micro-ondas com uma ou duas portas isoladas têm capacitâncias internas muito pequenas, que são uma ordem de grandeza (ou até mais) menor que as capacitâncias internas dos BTs de RF. Portanto, o trabalho do KG no FET de microondas será determinado principalmente apenas pelas capacitâncias dos capacitores, bem como pelas capacitâncias parasitas da instalação.

O circuito KG proposto no FET (Fig. 7) é feito com base em um seguidor de fonte. Como atualmente o FET de micro-ondas mais usado com duas portas isoladas e para comparar a operação do KG em transistores bipolares e de efeito de campo, é necessário um FET de porta única, tal FET é obtido de um FET de porta dupla por conectando seus portões juntos. Dado que os FETs de micro-ondas usados ​​operam na faixa de frequência de até alguns gigahertz, eles são muito propensos à auto-excitação (as faixas impressas na placa "funcionam" como uma espécie de circuito de micro-ondas).

Osciladores de cristal em harmônicos
Fig. 7

Para eliminar a autoexcitação, o autor utilizou resistores SMD antiparasitários de baixa resistência, cujo valor foi selecionado empiricamente (na Fig. 7, são R3 e R4). Tais resistores SMD são soldados aos terminais FET encurtados para o comprimento mínimo possível para instalação.Para eliminar o desvio da frequência KG durante as medições, um estágio de buffer de seguidores de fonte e emissor conectados em série é conectado a ele. O esquema completo do CG investigado no FET de micro-ondas é mostrado na Fig. 8. Este estágio de buffer tem propriedades muito melhores do que o estágio de buffer no HF BT (Fig. 5).

Osciladores de cristal em harmônicos
Arroz. 8 (clique para ampliar)

À primeira vista, os circuitos CG para BT e PT são os mesmos em princípio de operação (ambos os circuitos são baseados em seguidores de tensão de banda larga), mas experimentos mostraram que eles se comportam de maneira diferente. No CG no BT (Fig. 1), com uma certa (pequena) capacitância do capacitor no circuito emissor do transistor, a geração ocorre no terceiro harmônico. À medida que a capacitância do capacitor aumenta, a geração ainda ocorre no mesmo harmônico do quartzo. E somente com um aumento adicional na capacitância do capacitor especificado, o gerador passa para a região de oscilações complexas. A zona de oscilações complexas é geralmente observada em uma faixa bastante estreita de mudanças na capacitância do capacitor (frações ... unidades de picofarads). Na mesma área, há um pico (máximo) da tensão de saída. Um aumento adicional na capacitância do capacitor leva à geração no primeiro harmônico mecânico do quartzo.

Em um CG em um FET de microondas, ao usar quartzo de frequência suficientemente baixa (por exemplo, com o primeiro harmônico mecânico de cerca de 9 MHz), a mudança de estados descrita acima não é observada, o que pode ser explicado em uma primeira aproximação pelas capacitâncias internas muito pequenas do FET.

Para testar essa suposição com a ajuda de um capacitor especialmente incluído (6,8 pF), indicado na Fig. 7 e 8 como Szi, a capacitância correspondente do transistor foi aumentada artificialmente, o que torna a operação do KG em BT e PT comparável. Os dados para KG em FET (frequência e tensão de saída) sem capacitor são apresentados na Tabela 2. Na tabela. 3 mostra os dados para o caso em que um capacitor adicional com capacitância de 6,8 pF foi instalado. Neste caso, foi utilizado o mesmo quartzo (27668 kHz), assim como os resistores R1=R2=20 kOhm. Após a instalação de um capacitor adicional Czi, o KG em questão passou a se comportar de forma semelhante ao KG do BT.

Se KG em FETs trabalhar com quartzo de alta frequência (por exemplo, quartzo com o primeiro harmônico mecânico de cerca de 15 MHz), a capacitância interna do próprio FET (Czi) já é suficiente para a operação normal do KG. Os dados para CG com quartzo de alta frequência são apresentados na Tabela. 4 (em 46,516 MHz). Nesse caso, R1 \u2d R20 \uXNUMXd XNUMX kOhm.

A dependência da frequência e tensão de saída no valor de C3 da tabela. 2 e 3 são apresentados graficamente na fig. 9 e 10, e da mesa. 4 - na fig. onze.

Osciladores de cristal em harmônicos
Fig. 9

Osciladores de cristal em harmônicos
Fig. 10

Osciladores de cristal em harmônicos
Fig. 11

Observações:

1 Em C3=20 pf existe uma zona de oscilações de duas frequências.

2 Se R1=R2=1 MΩ, a geração ocorre apenas na frequência de 15,52 MHz

Os transistores do gerador e o estágio de buffer de todos os circuitos KG considerados operam em níveis significativos de sinais de RF e, portanto, introduzem distorções não lineares significativas. Na saída do KG também existem harmônicos elétricos do sinal com nível significativo. A frequência desses harmônicos é um número inteiro de vezes maior que a frequência fundamental (ou seja, o primeiro harmônico). Quando o quartzo estiver operando, por exemplo, na frequência de 9 MHz, também estarão presentes na saída do KG as frequências de 18, 27, 36, 45 MHz, etc. No entanto, como regra, esses harmônicos mais altos são uma ordem de grandeza ou mais fracos que o primeiro harmônico. Os harmônicos mecânicos do quartzo não são exatamente um número inteiro de vezes maior que o outro. Portanto, o primeiro e terceiro harmônicos mecânicos do quartzo irão diferir em frequência por um fator não igual a três.

Usando esta característica dos harmônicos mecânicos do quartzo, pode-se distinguir entre os harmônicos mecânicos propriamente ditos e os harmônicos elétricos. Por exemplo, usando os dados da Tabela 1, obtemos a razão de frequência

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

A frequência de ressonadores baseados em harmônicos mecânicos é determinada, conforme [9], pela expressão

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

onde fn é a frequência do enésimo harmônico mecânico de quartzo, n é o número do harmônico correspondente (neste caso, um inteiro ímpar), f1 é a frequência do primeiro harmônico mecânico de quartzo, Yn é um fator de correção dependendo o número harmônico. Por exemplo, Y3=0,001 [9] Assim, a expressão (5) para o terceiro harmônico mecânico assume a forma:

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

de onde

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

Como os valores numéricos das expressões (4) e (7) praticamente coincidem, podemos dizer que é possível gerar no gerador tanto no primeiro quanto no terceiro harmônico mecânico do quartzo.

A região de oscilações complexas (Fig. 2) existe em todos os circuitos KG considerados acima e pode ser detectada conectando um osciloscópio na saída KG. Uma imagem complexa é observada na tela, longe da sinusóide usual. Na zona de oscilações complexas, coexistem oscilações do primeiro e terceiro harmônicos mecânicos. Um aumento na capacitância do capacitor correspondente (C3) leva a uma diminuição da amplitude do terceiro harmônico e a um aumento da amplitude do primeiro .

Em todos os CGs considerados, ao gerar no primeiro harmônico mecânico, a tensão de saída acaba sendo um pouco maior do que ao gerar no terceiro. As oscilações com a frequência do primeiro harmônico mecânico são sempre "mais fortes" do que as oscilações com a frequência do terceiro, portanto, a tensão de saída do KG aumenta na região de oscilações de duas frequências com um aumento na capacitância do "controle " capacitor (C3). Um aumento na capacitância do capacitor de "controle" fora da zona de oscilações de duas frequências, ao contrário, leva a uma diminuição na tensão de saída do gerador.

As diferenças observadas no funcionamento do CG no BT e no FET, bem como o funcionamento anômalo do CG no PT no caso de uso de quartzo de frequência suficientemente baixa, devem-se à diferença nos valores de Cbe para o BT e Czi para o PT (Cbe "Czi). Se compararmos Cbe e Czi conectando uma capacitância adicional Cdop (Cdop ~= Szi) entre o portão e a fonte do FET, o KG no BT e o FET começam a se comportar aproximadamente da mesma forma. Como todos os circuitos KG discutidos acima operam tanto no primeiro quanto no terceiro harmônico mecânico do quartzo, um circuito de quartzo equivalente pode ser usado para análise, mostrado na Fig. 12.

Osciladores de cristal em harmônicos
Fig. 12

Usando tal circuito de quartzo, é possível representar o circuito equivalente de um oscilador FET de acordo com a Fig. 13.

Osciladores de cristal em harmônicos
Fig. 13

Todos os esquemas KG considerados não contêm nenhum circuito oscilatório (ressonante), exceto o próprio quartzo. Isso simplifica muito a fabricação e o ajuste de tais CGs harmônicos, selecionando basicamente apenas a capacitância do capacitor de "controle".

Literatura

  1. Artemenko V. Oscilador de cristal sem circuito. - Rádio amador, 2000, n.º 8, p.27.
  2. Artemenko V. Oscilador sem circuito de harmônicos de quartzo. - Radiomir KB e VHF, 2002, nº 1, pp. 27-29.
  3. Horowitz P., Hill W. A arte dos circuitos. Volume 1. - M.: Mir, 1984.
  4. Khablovski I., Skulimovski V. Eletrônica em perguntas e respostas. - M.: Rádio e comunicação, 1984.
  5. Belousov O. Oscilador de quartzo de dois pontos. - Radiomir, 2001, N7, p.33.
  6. Mason W. Cristais piezoelétricos e suas aplicações em ultraacústica.- M.: IL, 1952.
  7. Belousov O. Quartz oscilador - Radioamator, 2002, nº 6, p.25.
  8. Geradores de alta frequência Artemenko V. Barreira em transistores bipolares. - Radiohobby, 2000, nº 2, p.35.
  9. Ressonadores Labutin L. Quartz - Rádio. 1975, N3, pp. 13-16.

Autor: V.Artemenko, UT5UDJ, Kiev

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