Förstå Crystal Oscillator Circuits

Grundläggande halvledarkristalloscillatorkretskonfigurationer är idag mer utvecklade, nästan alla kretsar är modifieringar av de allmänt erkända vakuumrörssystemen som Pierce, Hartley, Clapp och Butler oscillator och fungerar med både bipolära och FET-enheter.

Även om alla dessa kretsar i grunden uppfyller sitt designade mål finns det många applikationer som kräver något helt annat eller där funktionalitet behöver beskrivas exakt.

Nedan listas ett antal kretsar, för en mängd olika applikationer direkt från LF till VHF-serien, som vanligtvis inte ses i befintlig amatöranvändning eller böcker.

Grundläggande halvledarkristalloscillatorkretstekniker är nu väletablerade, de flesta kretsar är anpassningar av den välkända vakuumrörstekniken som Pierce, Hartley, Clapp och Butler oscillator och använder både bipolära och FET-enheter.

Även om dessa kretsar i princip uppfyller sitt avsedda syfte, finns det många applikationer som kräver något annat eller där prestanda måste karakteriseras på ett tillförlitligt sätt.

Här presenteras en mängd olika kretsar, för en rad applikationer från LF till VHF-serien, som vanligtvis inte finns i nuvarande amatöranvändning eller litteratur.

DRIFTSLÄGEN

En punkt som sällan värderas, eller helt enkelt förbises, är det faktum att kvartskristaller kan svänga i ett parallellt resonansläge och ett serieresonansläge. De två frekvenserna delas upp med en mindre skillnad, vanligtvis 2-15 kHz över frekvensområdet.

Serieresonansfrekvensen är mindre i frekvens jämfört med parallell.

En specifik kristall konstruerad för användning i parallelläge kan appliceras på lämpligt sätt i en serieresonanskrets om en kondensator motsvarande i storlek till dess exakta belastningskapacitans (typiskt 20,30, 50 eller 100 pF) ansluts i serie med kristallen.

Tyvärr är det inte möjligt att invertera uppgiften för serieresonanskristall i kretsar i parallellläge. Seriemodkristallen kommer troligen att svänga utöver sin kalibrerade frekvens i sin situation och kanske inte är kapabel att ladda ner den tillräckligt.

Övertonkristaller körs i serieläge i allmänhet på tredje, femte eller sjunde övertonen, och tillverkaren kalibrerar vanligtvis kristallen i övertonfrekvensen.

Att köra en kristall i parallelläge och multiplicera frekvensen 3 eller 5 gånger genererar snarare ett nytt resultat genom att man kör exakt samma kristall i serieläget på dess tredje eller femte överton.

När du köper övertonskristaller, håll dig borta från dilemma och identifiera den frekvens du vill ha, istället för den uppenbara grundfrekvensen.

Grundläggande kristaller inom intervallet 500 kHz till 20 MHz är vanligtvis byggda för att fungera parallellt, men man kan be om serieläge.

För lågfrekventa kristaller upp till 1 MHz kan antingen läge väljas. Övertonkristaller täcker normalt intervallet 15 MHz till 150 MHz.

BREDT OMRÅDE eller APERIODISKA OSCILLATORER

Oscillatorer som aldrig använder avstämda kretsar är ofta mycket användbara, oavsett om de är 'kristallbrickor' eller någon annan anledning. Speciellt för LF-kristaller kan inställda kretsar vara ganska stora.

Å andra sidan är de vanligtvis inte utan sina egna fällor. Några kristaller är känsliga för oscillation i oönskade lägen, speciellt DT- och CT-skurna kristaller avsedda för LF-kvartsoscillatorer.

Det är verkligen en bra idé att se till att utgången är på rätt frekvens och ingen 'instabilitet' är uppenbar. Minimering av feedback vid högre frekvenser löser vanligtvis detta.

I speciella fall kan ovanstående teori glömmas bort och en oscillator som har en avstämd krets tillämpas som ett alternativ (LF-kristalloscillatorer granskas efteråt).

Kristallkretsar

Den första kretsen nedan är en emitterkopplad oscillator, en variation av Butler-kretsen. Utgången från kretsen i figur 1 är i grunden sinusvåg som minskar emittermotståndet för Q2 ökar den harmoniska utgången.

Som ett resultat genererar en 100 kHz kristall utmärkta övertoner via 30 MHz. Det är en seriemodkrets.

Ett antal transistorer kan användas. För kristaller över 3 MHz rekommenderas transistorer med hög förstärkning av bandbreddsprodukt. För kristaller inom sortimentet 50 kHz till 500 kHz föredras transistorer med hög LF-förstärkning, som 2N3565.

Dessutom, för kristaller inom detta val, är tillåten avledning normalt lägre än 100 mikrowatt och amplitudbegränsning kan vara nödvändig.

Minskad matningsspänning, i takt med effektiv uppstart, föreslås. Att ändra kretsen genom införandet av dioder som visas i fig. 3 är en mer fördelaktig teknik och starteffektiviteten förbättras.

Kretsen kommer att svänga så högt som 10 MHz med hjälp av lämpliga transistorer och emittermotståndsvärden. En emitterföljare eller källföljare rekommenderas vanligtvis.

Identiska kommentarer till ovanstående ansluter till fig. 2. En emitterföljerbuffert är inkorporerad i denna krets.

De två kretsarna är något känsliga för frekvens och för spänningsvariationer och belastningsspecifikationer. En belastning på 1 k eller högre rekommenderas.

TTL lC kan kombineras med kristalloscillatorkretsar även om många publicerade kretsar har fruktansvärd starteffektivitet eller upplever icke-repeterbarhet på grund av stora parametrar i lC.

Kretsen i fig. 4. har experimenterats med författaren inom intervallet 1 MHz till 18 MHz och kommer att uppmuntras. Detta är en serie-oscillator och komplimangerar AT-cut kristaller.

Utgången är cirka 3 V topp till topp, fyrkantig våg upp till cirka 5 MHz över vilken detta blir mer lik halv-sinuspulser. Starteffektiviteten är utmärkt, vilket verkar vara mest avgörande för TTL-oscillatorer.

LÅG FREKVENSKRYSTALOscillerare

Kristaller inom intervallet 50 kHz till 500 kHz kräver distinkta faktorer som inte upptäcks i de vanligare AT- eller BT-skurna HF-kristallerna.

Motsvarande seriemotstånd är mycket större och deras tillåtna försvinnande är begränsat till under 100 mikrowatt, helst 50 mikrowatt eller lägre.

Kretsen i fig. 5 är en serie-oscillator. Det ger fördelen att du inte behöver en avstämd krets och har ett urval av sinus- eller fyrkantvågsutgång. För kristaller inom spektrumet 50-150 kHz rekommenderas 2N3565-transistorer även om utgivaren tycker att BC107 är rimligt.

Både sorten kan vara adekvat för kristaller inom intervallet 150 kHz till 500 kHz. Om du tror att kristallen innehåller ett stort ekvivalent seriemotstånd kan du öka värdet R1 till 270 ohm och R2 till 3,3 k.

För fyrkantvågsoperationer är C1 1 uF (eller kanske en storlek bredvid eller större än den). För sinusvågsutgång är C1 inte i krets.

Amplitudkontroll är onödig. Sinusvågseffekten är ungefär 1 V rms, kvadratisk avstängningseffekt runt 4 V topp till topp.

Kretsen i figur 6 är faktiskt en reviderad typ av Colpitts-oscillatorn, med inkludering av motstånd Rf för att reglera återkoppling. Kondensatorer C1 och C2 måste minimeras genom beräknade storheter när frekvensen ökas.

Vid 500 kHz måste värdena för C1 och C2 vara ungefär 100 pF och motsvarande 1500 pF. Kretsen erbjuder som bevisad sinusvågseffekt med den andra övertonen cirka 40 dB lägre (eller högre).

Detta minimeras ofta genom uppmärksam justering av Rf och C1. Kom ihåg att vid den minskade mängden är en återkoppling nödvändig för att uppnå detta, det tar cirka 20 sekunder för oscillatorn att uppnå full effekt.

Effekten är cirka 2 till 3 volt topp till topp. När du behöver en utgång laddad med övertoner, kommer det enkelt att inkludera en 0,1 uF kondensator över emittermotståndet. Effekten ökar därefter till cirka 5 V topp till topp.

Strömförsörjningsspänningen kan minskas i sådana fall för att minska kristallförlusten. Andra transistorer kan användas, även om bias och feedback kan behöva justeras. För cantankerösa kristaller som är utformade för att svänga i lägen förutom de du vill, föreslog kretsen i figur 7 starkt

Feedback styrs av en kran längs samlarbelastningen på Q1. Amplitudbegränsning är viktigt för att bibehålla kristallförlusten inom gränserna. För 50 kHz kristaller måste spolen vara 2 mH och dess resonans kondensator 0,01 uF. Effekten är ungefär 0,5 V rms, i grunden en sinusvåg.

Användningen av en emitterföljare eller källföljare buffert rekommenderas starkt.

Om en parallellmodkristall används måste 1000 pF kondensatorn som anges i serie med kristallen ändras till kristallens valda belastningskapacitans (typiskt 30, 50 till 100 pF för dessa typer av kristaller).

HF CRYSTAL OSCILLATOR KRETSAR

Solid state-design för de välkända AT-cut HF-kristallerna tenderar att vara legion. Men resultaten är inte nödvändigtvis vad du kan förvänta dig att ha. Majoriteten av väsentliga kristaller upp till 20 MHz väljs vanligtvis för att fungera parallellt.

Icke desto mindre kan denna typ av kristaller användas i serie-oscillatorer genom att placera den önskade belastningskapacitansen i serie med kristallen som nämnts tidigare. De två typerna av kretsar diskuteras nedan.

En bra oscillator för 3 till 10 MHz-intervall som inte kräver en avstämd krets presenteras i figur 8 (a). Det är naturligtvis samma krets som figur 6. Kretsen fungerar extremt bra ner till 1 MHz när C1 och C2 är högre än 470 pF respektive 820 pF. Den kan användas till 15 MHz om C1 och C2 minskar till 120 pF och 330 pF. respektive.

Denna krets rekommenderas för icke-kritiska ändamål där stor harmonisk utgång önskas eller inte är ett alternativ. Inkluderingen av en avstämd krets som i 8b minimerar harmonisk uteffekt avsevärt.

En avstämd krets med en väsentlig Q rekommenderas vanligtvis. I en 6 MHz oscillator har vi uppnått nedanstående resultat. Med en spole Q på 50 var den andra övertonen 35 dB hela vägen.

Med en Q på 160 hade den varit -50 dB! Motstånd Rf kan ändras (öka lite) för att förbättra detta. Utgången höjs dessutom med en hög Q-spole.

Som tidigare observerats, med minskad återkoppling krävs det flera tiotals sekunder för att uppnå 100% uteffekt från påslagning, ändå är frekvensen stabilitet fantastisk.

Funktion vid olika frekvenser kan uppnås genom att justera kondensatorerna och spolen effektivt.

Denna krets (fig. 8) kan också ändras till en extremt användbar VXO. En liten induktans definieras i serie med kristallen och en av kondensatorerna i återkopplingskretsen används som en variabel typ.

En vanlig två-gäng 10-415 pF-sändaravstämningskondensator kommer att utföra uppgiften perfekt. Varje gäng samlas parallellt.

Inställningsområdet bestäms av kristallen, induktansen för L1 och frekvensen. Ett större intervall är i allmänhet tillgängligt med kristaller med högre frekvens. Stabilitet är extremt bra, närmar sig kristallens.

EN VHF OSCILLATOR-MULTIPLIER

Kretsen i figur 10 är en modifierad version av 'impedansinverterande' övertonoscillator. Vanligtvis applicerar den impedansinverterande kretsen kollektorn antingen ojusterad eller jordad för RF.

Samlaren kan ställas in till två eller tre gånger kristallfrekvensen för att minimera utsignalen vid kristallfrekvensen, en 2x inställd krets föreslås.

DU BÖR ALDRIG ställa in samlaren på kristallfrekvensen, annars kan kretsen svänga med en frekvens som kan vara utanför kristallens kontroll. Du måste behålla samlarledningen mycket liten och en mot en så mycket du kan.

Slutresultat med denna typ av krets var bra. Nästan alla utgångar förutom önskad utgång hade varit -60 dB eller högre.

Bullerproduktionen når minst 70 dB under önskad effekt. Detta skapar en enastående konverteringsoscillator för VHF / UHF-omvandlare.

Praktiskt taget 2 V RF kan erhållas på den varma terminalen på L3 (författarens original vid 30 MHz). En Zener-reglerad leverans rekommenderas starkt.

Som påpekats i diagrammet är olika kretsvärden viktiga för olika transistorer. Strays i specifik struktur kan också kräva modifieringar. L1 kan användas för att flytta kristallen på frekvens. Mindre ändringar i frekvensen (cirka 1 sid / min) sker medan du justerar L2 och L3 samt använder variationer i belastningen. Med detta sagt, i verkliga test kan dessa saker vara obetydliga.