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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Geradores de quartzo. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Nós de equipamentos de rádio amador. Geradores, heteródinas A instabilidade relativa da frequência de auto-osciladores, realizada em ressonadores na forma de circuitos LC, geralmente não é inferior a 10-3... 10-4. A estabilidade de frequência do gerador depende significativamente do fator de qualidade e da estabilidade do sistema oscilatório. O fator de qualidade de um circuito LC geralmente não é superior a 200 ... 300. Os transmissores e receptores de rádio modernos estão sujeitos a requisitos mais altos de estabilidade de frequência. Geralmente uma instabilidade de frequência relativa de longo prazo de pelo menos 10-6... 10-8, que pode ser alcançado usando ressonadores de quartzo. O fator de qualidade dos ressonadores de quartzo é muitas vezes maior do que o fator de qualidade dos ressonadores em circuitos LC e é 104... 106. Existem muitos circuitos de osciladores de quartzo. Portanto, tornou-se necessário considerar os esquemas mais utilizados na prática. O circuito equivalente geralmente aceito de um ressonador de quartzo é mostrado na Fig. 1. A indutância dinâmica Ls, a capacitância dinâmica Cs e a resistência à perda Rs são devidas à presença de efeito piezoelétrico direto e inverso e propriedades ressonantes do elemento piezoelétrico. A capacitância paralela Cp é devida à capacitância intereletrodo do piezoelétrico, à capacitância da caixa e à montagem. A frequência de ressonância do ramo dinâmico é chamada de frequência de ressonância em série do ressonador de quartzo Fs.
O fator de qualidade de um ressonador de quartzo Q é determinado pelo ramo dinâmico de acordo com a fórmula para um circuito oscilatório em série Q=(2pFsLs)/Rs A frequência da ressonância paralela Fp é um pouco maior que Fs, o que se deve à ressonância paralela de Cp, Cs e Ls. Um parâmetro importante de um ressonador de quartzo é a razão entre sua capacitância paralela e dinâmica, denotada por r e chamada de coeficiente capacitivo. r=Cc/Cs De acordo com várias fontes literárias, o coeficiente capacitivo para o corte AT do quartzo é 220...250. Considerando que Cs/Cp<0,1, pode-se usar uma expressão aproximada para a frequência de ressonância paralela Fp=Fs(1+(Cs/2Cp)). Para um coeficiente capacitivo r > 25, o intervalo ressonante, definido como a diferença entre as frequências de ressonâncias paralelas e em série de um ressonador de quartzo, pode ser escrito como dF=Fs/2r. Nos harmônicos mecânicos de um ressonador de quartzo, o intervalo ressonante diminui e é determinado pela expressão dFn=Fs/(2rn2) onde n é o número harmônico. O coeficiente capacitivo determina o tamanho da lacuna ressonante do ressonador, portanto, o desvio de frequência do oscilador de quartzo controlado, a estabilidade da frequência quando os parâmetros do circuito mudam, as condições para a ocorrência e manutenção de oscilações no circuito auto-oscilador de quartzo . Para avaliar a capacidade de um ressonador de quartzo ser excitado, alguns circuitos de oscilador de cristal usam um parâmetro chamado fator de qualidade. É definido como a razão entre o fator de qualidade do ressonador e seu coeficiente capacitivo m=Q/r. Para ressonadores de quartzo, os valores de M estão na faixa de 1 a 10000. Em M <2, a reatância do ressonador é positiva (capacitiva) e não possui uma região de reação indutiva. Consequentemente, a excitação de tal ressonador nos circuitos de osciladores de quartzo que requerem uma reação indutiva torna-se impossível. Quando M>2, o ressonador possui uma área de reação indutiva, e quanto maior o valor de M, maior essa área. Na prática, dois tipos de osciladores de quartzo são mais amplamente utilizados: a) geradores em que um ressonador de quartzo faz parte de um circuito oscilatório e equivale a uma indutância; b) geradores nos quais um ressonador de quartzo é incluído no circuito de realimentação é usado como filtro de banda estreita e é equivalente à resistência ativa. Os osciladores de cristal, nos quais um ressonador de quartzo é usado como elemento de um circuito com reações indutivas, são chamados oscilatórios, e os osciladores nos quais um ressonador de quartzo é incluído no circuito de realimentação são chamados de geradores de ressonância em série. O circuito oscilador de um oscilador de quartzo com quartzo entre o coletor e a base, feito de acordo com o circuito com emissor aterrado (capacitivo de três pontos) é mostrado na Fig. 2.
Atualmente, o capacitivo de três pontos é amplamente utilizado na faixa de frequência de até 22 MHz quando o ressonador opera na frequência fundamental, e até 66 MHz quando excitado na terceira harmônica mecânica (Fig. 3). O auto-oscilador com ressonador de quartzo entre o coletor e a base em um circuito com emissor aterrado de alta frequência, não é propenso a oscilações parasitas em sobretons anarmônicos, possui excelente estabilidade de frequência com mudanças na tensão de alimentação e temperatura ambiente.
A influência das mudanças nos parâmetros reativos do transistor, dependendo da tensão e do tempo de alimentação, enfraquece com o aumento das capacitâncias C1, C3 (Fig. 2), ou seja, conforme a frequência operacional do auto-oscilador se aproxima de Fg. No entanto, um aumento excessivo na capacitância leva a uma deterioração nas condições de autoexcitação. Por outro lado, com o aumento das capacitâncias, a potência dissipada no ressonador aumenta, o que leva a um aumento na instabilidade da frequência gerada. De acordo com as condições técnicas, a potência dissipada no quartzo é limitada a 1...2 mW. Porém, na faixa de frequência de 1...22 MHz com tal potência dissipada, a frequência da ressonância em série depende da potência dissipada, e o coeficiente de proporcionalidade é (0,5...2) •10-9 Hz/μW, portanto , para geradores altamente estáveis, a potência dissipada no ressonador deve ser limitada a 0,1...0,2 mW. Na prática, recomenda-se escolher as capacitâncias C1, C3 para que a frequência de geração não seja superior a um quarto do intervalo ressonante de Fs. Quando o ressonador de quartzo é excitado nos harmônicos mecânicos ímpares do quartzo, ao invés do resistor R3, um indutor Lk é ligado (Fig. 3). Na frequência de geração, o circuito Lk-C4 deve ter uma capacitância, ou seja, sua frequência de ressonância deve estar abaixo da frequência de geração. Os parâmetros do circuito devem ser escolhidos de modo que sua frequência natural seja 0,7 ... 0,8 da frequência de geração. Como resultado, o circuito tem condução capacitiva na frequência do harmônico necessário, o que elimina a possibilidade de geração em harmônicos mais baixos e na frequência fundamental. Em geradores osciladores operando em frequências acima de 22 MHz, o ressonador geralmente é excitado no 3º ou 5º harmônico, mas não nos mais altos, pois o efeito da capacitância paralela é forte. Mais frequentemente do que mostrado na Fig. 2, um circuito capacitivo de três pontos de um oscilador de quartzo com um ressonador de quartzo entre o coletor e a base é usado no circuito para ligar um transistor com um coletor aterrado (Fig. 4). Este circuito é especialmente útil para osciladores sintonizáveis eletronicamente (quando conectados em série com o quartzo varicap) e possui menos elementos de bloqueio do que o circuito emissor aterrado. Muitos especialistas no campo de osciladores de cristal consideram o capacitivo de três pontos como o melhor de todos os circuitos de oscilador de cristal operando na fundamental ou 3ª harmônica mecânica do ressonador. Deve-se notar que existe um circuito capacitivo de três pontos que não contém indutância, que é excitado nos 3º e 5º harmônicos.
Auto-oscilador com quartzo no circuito. Se o indutor L4 estiver conectado em série com o quartzo no circuito da Fig. 1, isso levará ao aparecimento de novas propriedades, ou seja, no gerador (Fig. 5) são possíveis auto-oscilações que não são estabilizadas por um ressonador de quartzo.
Em altas frequências, onde a reatância da capacitância paralela do ressonador é menor que a reatância do ramo dinâmico do ressonador de quartzo, é possível a autoexcitação através da capacitância paralela Cp. A presença da indutância L1 significa que é possível realizar o equilíbrio de fase na frequência de ressonância série, bem como em uma determinada região de dessintonização abaixo da frequência de ressonância série. A indutância L1 garante o equilíbrio de fases em condições onde M<2, e a reatância equivalente do quartzo não pode ser indutiva. Isso significa que um gerador com quartzo no circuito pode operar em frequências mais altas e em números mais altos de harmônicos mecânicos do ressonador de quartzo. Para excluir a auto-excitação parasita através de uma capacitância paralela Cp, que é mais provável em altas frequências e harmônicos mecânicos mais altos, um resistor R1 é conectado em paralelo com o ressonador, o que introduz perdas no circuito de auto-excitação parasita. É possível reduzir os requisitos para a atividade de um ressonador de quartzo em harmônicos mecânicos usando circuitos geradores de ressonância serial. Como com um aumento na frequência e no número harmônico, a atividade do ressonador de quartzo diminui devido a um aumento em sua resistência equivalente e um aumento no efeito de derivação da capacitância estática (paralela) Ср, é necessário neutralizar ou compensar isto. A neutralização pode ser realizada em um circuito de ponte, onde o quartzo é colocado em um dos braços de uma ponte balanceada. Ponte auto-oscilador de ressonância em série. No circuito mostrado na Fig. 6, com o equilíbrio exato da ponte (Cp=C2, XL1-2=XL2-3), a realimentação é realizada apenas através do ramo dinâmico do ressonador. No harmônico mecânico do ressonador de quartzo, a condutividade do ramo em série do ressonador aumenta acentuadamente, a ponte fica desequilibrada e, com uma escolha apropriada dos elementos do circuito, o gerador é excitado. O loop L1-C3 deve ser sintonizado na frequência harmônica desejada.
Neste esquema, é possível excitar ressonadores de quartzo no 5º ou 7º harmônico. Esquemas com neutralização da capacitância estática do ressonador são muito críticos para o modo de operação e de difícil ajuste, embora possam ser usados em frequências de até 100 MHz. O limite superior de frequência do oscilador com neutralização deve-se à dificuldade de obter uma grande resistência de malha equivalente com o aumento da frequência, uma vez que a capacitância inicial da malha não pode ser reduzida devido a capacitâncias parasitas. O esquema Butler (Fig. 7) é caracterizado pela maior resistência a fatores desestabilizadores na faixa de até 100 MHz. O limite superior das frequências geradas é devido à deterioração das propriedades do seguidor de emissor. No circuito Butler, um ressonador de quartzo é incluído no circuito de realimentação entre os emissores dos transistores. O transistor VT1 é conectado de acordo com o esquema com um coletor comum e o transistor VT2 - com uma base comum. A desvantagem deste circuito é a tendência à auto-excitação parasita devido à conexão da saída com a entrada através de uma capacitância de quartzo paralela Cp. Para eliminar esse fenômeno, um indutor é conectado em paralelo ao quartzo, formando, juntamente com a capacitância paralela do quartzo, um circuito ressonante sintonizado na frequência da oscilação parasita.
Autogerador segundo circuito Butler em um transistor com compensação Av. Em frequências de até 300 MHz, é aconselhável utilizar circuitos de filtro de estágio único, por exemplo, um circuito de filtro com base comum (Fig. 8). Essencialmente, tal auto-oscilador é um amplificador de estágio único no qual o circuito é conectado ao emissor de um transistor bipolar através de um ressonador de quartzo que atua como um filtro de banda estreita. O circuito formado pela capacitância de quartzo paralela Cp e pela bobina L2 é sintonizado na frequência do harmônico utilizado. À medida que a frequência operacional aumenta, as condutâncias equivalentes do transistor aumentam, ou seja, o cumprimento das condições de autoexcitação piora. Porém, apesar disso, as condições de autoexcitação deste autooscilador em altas frequências são mais fáceis de cumprir do que autoosciladores com quartzo entre o coletor e a base e quartzo no circuito, o que determina sua vantagem.
Em conclusão, deve-se notar que os circuitos considerados de osciladores de quartzo não esgotam toda a variedade de circuitos osciladores estabilizados por um ressonador de quartzo, e a escolha de um circuito é decisivamente influenciada pela presença de ressonadores de quartzo com os parâmetros equivalentes necessários, requisitos de potência de saída, potência dissipada no ressonador, frequências de estabilidade a longo prazo, etc. Um pouco sobre ressonadores. Ao escolher um ressonador para o gerador, atenção especial deve ser dada ao fator de qualidade do ressonador - quanto maior, mais estável a frequência. Os ressonadores a vácuo têm o mais alto fator de qualidade. Mas quanto melhor o ressonador, mais caro ele é. Muitas vezes existem ressonadores com um alto nível de ressonâncias laterais. Na URSS, além dos ressonadores de quartzo, os ressonadores eram produzidos a partir de niobato de lítio (marcado como RN ou RM), tantalato de lítio (marcado como RT) e de outros piezoelétricos. Como os parâmetros equivalentes desses ressonadores diferem dos ressonadores de quartzo, eles não podem ser acionados em circuitos em que o quartzo funcione perfeitamente, embora a frequência marcada na caixa possa ser a mesma. Eles podem ter pior estabilidade de frequência e precisão de sintonia. As empresas da URSS, como regra, produziam ressonadores de quartzo com uma frequência fundamental de até 20 ... 22 MHz e superior - em harmônicos mecânicos. Isso se deve à tecnologia de processamento desatualizada das placas de quartzo. As empresas estrangeiras produzem quartzo com uma frequência fundamental de 35 MHz. As principais empresas estrangeiras produzem ressonadores na forma da chamada estrutura mesa inversa, operando em vibrações de cisalhamento de espessura volumétrica, nas quais a primeira frequência harmônica atinge 250 MHz! Usando tais ressonadores de quartzo em circuitos osciladores, nos quais sistemas com parâmetros de indutância e capacitância distribuídos são usados como sistemas oscilatórios, é possível obter oscilações altamente estáveis até uma frequência de 750 MHz sem multiplicação de frequência! Autor: O. Belousov, Vatutino, região de Cherkasy; Publicação: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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