Comprensió dels circuits de l’oscil·lador de cristall

Les configuracions bàsiques de circuits d’oscil·ladors de cristall d’estat sòlid estan avui més desenvolupats, gairebé tots els circuits són modificacions dels sistemes de tubs de buit àmpliament reconeguts com l’oscil·lador Pierce, Hartley, Clapp i Butler i funcionen tant amb dispositius bipolars com amb FET.

Tot i que tots aquests circuits compleixen fonamentalment el seu objectiu dissenyat, hi ha un munt d’aplicacions que requereixen una cosa completament diferent o en què cal descriure amb exactitud la funcionalitat.

A continuació s’enumeren una sèrie de circuits, per a una gran varietat d’aplicacions, des de LF fins a la gamma VHF, que normalment no es veuen en els llibres o ús amateur actuals.

Les tècniques bàsiques del circuit de l’oscil·lador de cristall d’estat sòlid ja estan ben establertes, la majoria dels circuits són adaptacions de la coneguda tecnologia de tubs de buit com l’oscil·lador Pierce, Hartley, Clapp i Butler i utilitzen tant dispositius bipolars com FET.

Tot i que aquests circuits compleixen bàsicament el propòsit previst, hi ha moltes aplicacions que requereixen alguna cosa diferent o on s’ha de caracteritzar de manera fiable el rendiment.

Aquí es presenten una varietat de circuits, per a una gamma d'aplicacions des de LF fins a la gamma VHF, que no es troben habitualment en l'ús amateur o la literatura actual.

MODES DE FUNCIONAMENT

Un punt rarament valorat, o simplement passat per alt, és el fet que els cristalls de quars poden oscil·lar en un mode ressonant paral·lel i en un mode ressonant en sèrie. Les dues freqüències es divideixen amb una diferència menor, generalment de 2-15 kHz en el rang de freqüències.

La freqüència de ressonància de la sèrie és menor en freqüència en comparació amb la paral·lela.

Un cristall específic dissenyat per al seu ús en mode paral·lel pot aplicar-se adequadament en un circuit ressonant de sèrie si un condensador de magnitud equivalent a la seva capacitat de càrrega exacta (normalment 20,30, 50 o 100 pF) s’uneix en sèrie amb el cristall.

Malauradament, no és possible invertir la tasca del cristall ressonant de la sèrie en circuits en mode paral·lel. El cristall en mode sèrie probablement oscil·larà més enllà de la seva freqüència calibrada en la seva situació i pot ser que no sigui factible carregar-lo suficientment capacitivament.

Els cristalls d’vertoneu funcionen en mode sèrie generalment en el tercer, cinquè o setè harmònic, i el fabricant sol calibrar el cristall en la freqüència del sobretono.

Executar un cristall en mode paral·lel i multiplicar la freqüència 3 o 5 vegades genera més aviat un nou resultat, operant precisament el mateix cristall en mode sèrie en el seu tercer o cinquè ton.

Mentre compreu cristalls d’armònics, mantingueu-vos allunyats del dilema i identifiqueu la freqüència que voleu, en lloc de la freqüència aparent fonamental.

Els cristalls fonamentals dins del rang de 500 kHz a 20 MHz es construeixen generalment per al funcionament en mode paral·lel, tot i que es podria demanar un funcionament en mode sèrie.

Per a cristalls de baixa freqüència de fins a 1 MHz, es podria escollir qualsevol dels dos modes. Els cristalls d’vertona normalment cobreixen el rang de 15 MHz a 150 MHz.

AMPLIA GAMMA o OSCILADORS APERIODDICS

Els oscil·ladors que mai no fan ús de circuits sintonitzats solen ser molt útils, ja siguin com a «correctors de cristall» o per qualsevol altre motiu. Especialment per als cristalls de baixa freqüència, els circuits sintonitzats podrien ser bastant enormes.

D’altra banda, normalment no estan exempts de trampes pròpies. Alguns cristalls són susceptibles a l’oscil·lació en modes no desitjats, especialment els cristalls de tall DT i CT destinats als oscil·ladors de quars LF.

Realment és una bona idea assegurar-se que la sortida es troba a la freqüència adequada i que no apareix cap 'inestabilitat de mode'. Minimitzar la retroalimentació a les freqüències més altes sol solucionar-ho.

En casos especials, es pot oblidar la teoria anterior i es pot aplicar com a alternativa un oscil·lador que posseeix un circuit sintonitzat (després es revisen els oscil·ladors de cristall LF).

Circuits de Cristall

El primer circuit següent és un oscil·lador acoblat per emissor, una variació del circuit de Butler. La sortida del circuit de la figura 1 és bàsicament una ona sinusoïdal que disminueix la resistència de l'emissor de Q2 augmenta la sortida harmònica.

Com a resultat, un cristall de 100 kHz genera excel·lents harmònics a 30 MHz. És un circuit en mode sèrie.

Es pot emprar una gamma de transistors. Per a cristalls superiors a 3 MHz, s’aconsellen transistors amb un producte d’amplada de banda elevada. Per a cristalls dins de l'assortiment de 50 kHz a 500 kHz, es prefereixen els transistors amb un alt guany de baixa freqüència, com el 2N3565.

A més, per als cristalls d’aquesta selecció, la dissipació permesa normalment és inferior a 100 microwatts i pot ser imprescindible restringir l’amplitud.

Es recomana reduir la tensió d’alimentació, al mateix temps que s’inicia eficientment. L’alteració del circuit mitjançant la inclusió de díodes com es mostra a la figura 3 és una tècnica més beneficiosa i es millora l’eficiència d’arrencada.

El circuit oscil·larà fins a 10 MHz mitjançant transistors i valors de resistència d’emissor adequats. Normalment es recomana un seguidor emissor o una memòria intermèdia de seguidors d'origen.

Els comentaris idèntics a l'anterior es connecten amb la figura 2. S'incorpora dins d'aquest circuit una memòria intermèdia de seguidor de l'emissor.

Els dos circuits són una mica sensibles a la freqüència i a les variacions de tensió de potència i a les especificacions de càrrega. Es recomana una càrrega d'1 k o més.

TTL lC es podria combinar amb circuits d'oscil·ladors de cristall, tot i que nombrosos circuits publicats tenen una eficiència d'arrencada terrible o experimenten una no repetibilitat a causa de vasts paràmetres en lC's.

L’autor ha experimentat amb el circuit de la figura 4. amb un interval d’1 MHz a 18 MHz i es fomentarà. Es tracta d’un oscil·lador en mode sèrie i complementa els cristalls tallats en AT.

La sortida és d’uns 3 V de pic a pic, ona quadrada fins a uns 5 MHz per sobre de la qual es converteix en més semblant als polsos de mig sinus. L’eficiència inicial és excel·lent, que sembla ser sobretot un factor crític amb els oscil·ladors TTL.

OSCILADORS DE CRISTALL DE BAIXA FRECUÈNCIA

Els cristalls dins del rang de 50 kHz a 500 kHz requereixen factors distintius que no es detecten en els cristalls HF més freqüents de tall AT o BT.

La resistència de sèries similars és molt més gran i la seva dissipació permesa es limita a menys de 100 microwatts, idealment 50 microwatts o menys.

El circuit de la figura 5 és un oscil·lador en mode sèrie. Ofereix l'avantatge de no necessitar un circuit sintonitzat i ofereix una selecció de sortida d'ona sinusoïdal o quadrada. Per a cristalls dins de l'espectre de 50-150 kHz, s'aconsellen transistors 2N3565 tot i que l'editor considera que el BC107 és raonable.

Tant la varietat pot ser adequada per a cristalls d'entre 150 kHz a 500 kHz. Si creieu que el cristall inclou una gran resistència de sèrie equivalent, podeu augmentar el valor de R1 a 270 ohms i R2 a 3,3 k.

Per a operacions d'ona quadrada, C1 és 1 uF (o potser una magnitud al costat o més gran que ella). Per a la sortida d'ona sinusoïdal, C1 no està en circuit.

El control d’amplitud és innecessari. La sortida d'ona sinusoidal és d'aproximadament 1 V rms, la renúncia quadrada al voltant dels 4 V de pic a pic.

El circuit de la figura 6 és en realitat un tipus revisat de l’oscil·lador Colpitts, amb la inclusió de la resistència Rf per regular la retroalimentació. Els condensadors C1 i C2 s’han de minimitzar mitjançant magnituds calculades a mesura que s’incrementa la freqüència.

A 500 kHz, els valors de C1 i C2 han de ser aproximadament de 100 pF i 1500 pF corresponentment. El circuit, tal com s’ha comprovat, ofereix una sortida d’ona sinusoïdal utilitzant el segon harmònic al voltant de 40 dB inferior (o superior).

Això sovint es minimitza mitjançant ajustaments conscients de Rf i C1. Recordeu que, a la quantitat reduïda, és imprescindible una retroalimentació per aconseguir-ho, es necessiten uns 20 segons perquè l'oscil·lador assoleixi la totalitat de la sortida.

La sortida oscil·la entre 2 i 3 volts de pic a pic. Quan necessiteu una sortida carregada d’harmònics, la fàcil inclusió d’un condensador de 0,1 uF a la resistència de l’emissor ho aconseguirà. La sortida augmenta posteriorment fins a uns 5 V de pic a pic.

La tensió d'alimentació es podria reduir en aquests casos per reduir la dissipació de cristalls. Es poden utilitzar altres transistors, tot i que és possible que s’hagi de modificar el biaix i la retroalimentació. Per als cristalls malenconiós dissenyats per oscil·lar en modes diferents dels que voldríeu, el circuit de la figura 7 suggereix fortament

Els comentaris es regeixen per un toc al llarg de la càrrega del col·lector de Q1. El confinament d’amplitud és important per mantenir la dissipació de cristalls dins dels límits. Per a cristalls de 50 kHz, la bobina ha de ser 2 mH i el seu condensador de ressonació 0,01 uF. La sortida és d'aproximadament 0,5 V rms, fonamentalment una ona sinusoïdal.

Es recomana fer servir un seguidor emissor o una memòria intermèdia de seguiment font.

En cas que s'utilitzi un cristall en mode paral·lel, el condensador de 1000 pF indicat en sèrie amb el cristall s'ha de canviar a la capacitat de càrrega seleccionada del cristall (normalment 30, 50 a 100 pF per a aquest tipus de cristalls).

CIRCUITS OSCILADORS DE CRISTALL HF

Els dissenys d'estat sòlid per als coneguts cristalls HF tallats per AT solen ser legions. Però els resultats no necessàriament són els que podríeu esperar. La majoria dels cristalls essencials de fins a 20 MHZ solen triar-se per al funcionament en mode paral·lel.

No obstant això, aquest tipus de cristalls es poden utilitzar en oscil·ladors en mode sèrie posicionant la capacitat de càrrega desitjada en sèrie amb el cristall, tal com s'ha dit anteriorment. Els dos tipus de circuits es discuteixen a continuació.

A la figura 8 (a) es presenta un bon oscil·lador de 3 a 10 MHz que no requereix un circuit sintonitzat. Es tracta, naturalment, del mateix circuit que la figura 6. El circuit funciona molt bé fins a 1 MHz quan C1 i C2 són superiors a 470 pF i 820 pF respectivament. Es pot utilitzar a 15 MHz en cas que es redueixin C1 i C2 a 120 pF i 330 pF. respectivament.

Aquest circuit es recomana per a finalitats no crítiques en què es desitgi una sortida harmònica gran o no sigui una opció. La inclusió d’un circuit sintonitzat com al 8b minimitza la sortida harmònica de manera significativa.

Normalment es recomana un circuit sintonitzat amb una Q substancial. En un oscil·lador de 6 MHz, hem obtingut els resultats següents. Tenint una bobina Q de 50, el segon harmònic era de 35 dB fins a baix.

Tenint una Q de 160, havien estat -50 dB! La resistència Rf es podria alterar (augmentar una mica) per millorar-la. La sortida augmenta addicionalment mitjançant una bobina Q alta.

Com es va observar anteriorment, amb una disminució de la retroalimentació, es necessiten diverses desenes de segons per aconseguir un 100% de sortida des de l’encesa, tot i així, l’estabilitat de la freqüència és fantàstica.

El funcionament a diferents freqüències es pot aconseguir ajustant els condensadors i la bobina de manera efectiva.

Aquest circuit (Fig. 8) també es podria convertir en un VXO extremadament útil. Una petita inductància es defineix en sèrie amb el cristall i un dels condensadors del circuit de retroalimentació s'utilitza com a tipus variable.

Un condensador de sintonització del transmissor 10-415 pF de dues bandes comú realitzarà la tasca perfectament. Cada colla està connectada en paral·lel.

El rang d’afinació està determinat pel cristall, la inductància de L1 i la freqüència. Un rang més gran és generalment accessible mitjançant cristalls de freqüència més alta. L’estabilitat és molt bona, aproximant-se a la del vidre.

UN OSCILLADOR-MULTIPLICADOR VHF

El circuit de la Fig.10 és una versió modificada de l’oscil·lador de sobretons ‘inversor d’impedància’. Normalment, aplicant el circuit d'inversió d'impedància, el col·lector no està sintonitzat o està connectat a terra per RF.

El col·lector es podria sintonitzar a dues o tres vegades la freqüència de cristall per tal de minimitzar la sortida a la freqüència de cristall, es proposa un circuit sintonitzat 2x.

MAI NO HAUREU d’afinar el col·lector a la freqüència del cristall, o bé el circuit pot oscil·lar amb una freqüència que pot estar fora del control del cristall. Heu de mantenir el cable del col·lector molt petit i un a un tant com pugueu.

Els resultats finals amb aquest tipus de circuits van ser excel·lents. Gairebé totes les sortides, a més de la sortida desitjada, havien estat a -60 dB o més.

La producció de soroll arriba com a mínim a 70 dB per sota de la producció desitjada. Això crea un oscil·lador de conversió excepcional per als convertidors VHF / UHF.

Pràcticament es poden obtenir 2 V de RF al terminal calent de L3 (original de l'autor a 30 MHz). Es recomana un subministrament regulat per Zener.

Com es va assenyalar al diagrama, diversos valors de circuits són essencials per a diversos transistors. Els estreps en una estructura específica també poden requerir modificacions. Es pot utilitzar L1 per moure el cristall a la freqüència. Es produeixen petites modificacions de freqüència (aproximadament 1 ppm) mentre s’ajusten L2 i L3 i s’utilitzen variacions de càrrega. Dit això, en proves reals, aquestes coses podrien ser insignificants.