Grundlegende Festkörper-Kristalloszillatorschaltungskonfigurationen sind heutzutage weiter entwickelt, wobei fast alle Schaltungen Modifikationen der weithin anerkannten Vakuumröhrensysteme wie der Pierce-, Hartley-, Clapp- und Butler-Oszillator sind und sowohl mit bipolaren als auch mit FET-Bauelementen arbeiten.
Obwohl alle diese Schaltungen grundsätzlich ihr entworfenes Ziel erfüllen, gibt es viele Anwendungen, die etwas völlig anderes erfordern oder bei denen die Funktionalität genau beschrieben werden muss.
Nachfolgend sind eine Reihe von Schaltkreisen für eine Vielzahl von Anwendungen aufgeführt, die von LF bis VHF reichen und in der Regel nicht in vorhandenen Amateurgebrauchsbüchern oder Büchern enthalten sind.
Grundlegende Festkörper-Kristalloszillator-Schaltungstechniken sind mittlerweile gut etabliert, wobei die meisten Schaltungen Anpassungen der bekannten Vakuumröhrentechnologie wie des Pierce-, Hartley-, Clapp- und Butler-Oszillators sind und sowohl bipolare als auch FET-Bauelemente verwenden.
Während diese Schaltungen grundsätzlich ihren beabsichtigten Zweck erfüllen, gibt es viele Anwendungen, die etwas anderes erfordern oder bei denen die Leistung zuverlässig charakterisiert werden muss.
Hier werden verschiedene Schaltungen für eine Reihe von Anwendungen von LF bis VHF vorgestellt, die in der aktuellen Amateuranwendung oder Literatur nicht häufig zu finden sind.
BETRIEBSARTEN
Ein Punkt, der selten bewertet oder einfach übersehen wird, ist die Tatsache, dass Quarzkristalle in einem Parallelresonanzmodus und einem Serienresonanzmodus schwingen können. Die beiden Frequenzen werden mit einem geringen Unterschied aufgeteilt, normalerweise 2-15 kHz über den Frequenzbereich.
Die Serienresonanzfrequenz ist im Vergleich zur Parallelfrequenz kleiner.
Ein spezifischer Kristall, der für die Verwendung im Parallelmodus ausgelegt ist, kann in geeigneter Weise in einem Serienresonanzkreis angewendet werden, wenn ein Kondensator, dessen Größe seiner exakten Lastkapazität entspricht (typischerweise 20, 30, 50 oder 100 pF), in Reihe mit dem Kristall geschaltet ist.
Leider ist es nicht möglich, die Aufgabe für Serienresonanzkristalle in Parallelmodusschaltungen umzukehren. Der Serienmodus-Kristall wird in seiner Situation wahrscheinlich über seine kalibrierte Frequenz hinaus schwingen und ist möglicherweise nicht in der Lage, ihn kapazitiv genug herunterzuladen.
Obertonkristalle laufen im Serienmodus im Allgemeinen im dritten, fünften oder siebten Oberton, und der Hersteller kalibriert den Kristall normalerweise in der Obertonfrequenz.
Wenn ein Kristall im Parallelmodus ausgeführt und die Frequenz drei- oder fünfmal multipliziert wird, wird ein ziemlich neues Ergebnis erzielt, indem genau derselbe Kristall im Serienmodus bei seinem 3. oder 5. Oberton betrieben wird.
Halten Sie sich beim Kauf von Obertonkristallen vom Dilemma fern und identifizieren Sie die gewünschte Frequenz anstelle der scheinbaren Grundfrequenz.
Grundlegende Kristalle im Bereich von 500 kHz bis 20 MHz sind im Allgemeinen für die Parallelmodusfunktion ausgelegt, jedoch könnte ein Serienmodusbetrieb verlangt werden.
Für niederfrequente Kristalle bis 1 MHz kann jeder Modus gewählt werden. Obertonkristalle decken normalerweise den Bereich von 15 MHz bis 150 MHz ab.
WIDE RANGE oder APERIODIC OSCILLATORS
Oszillatoren, die niemals abgestimmte Schaltkreise verwenden, sind oft sehr nützlich, sei es als „Kristallprüfer“ oder aus einem anderen Grund. Insbesondere für LF-Kristalle können abgestimmte Schaltkreise ziemlich groß sein.
Andererseits sind sie normalerweise nicht ohne eigene Fallen. Einige Kristalle sind anfällig für Schwingungen in unerwünschten Moden, insbesondere die DT- und CT-Schnittkristalle, die für LF-Quarzoszillatoren vorgesehen sind.
Es ist wirklich eine gute Idee, sicherzustellen, dass der Ausgang auf der richtigen Frequenz liegt und keine 'Modusinstabilität' erkennbar ist. Das Minimieren der Rückkopplung bei den höheren Frequenzen löst dies üblicherweise.
In besonderen Fällen kann die obige Theorie vergessen werden und ein Oszillator mit einem abgestimmten Schaltkreis als Alternative angewendet werden (LF-Kristalloszillatoren werden anschließend überprüft).
Kristallschaltungen
Die erste Schaltung unten ist ein emittergekoppelter Oszillator, eine Variation der Butler-Schaltung. Der Ausgang der Schaltung in Fig. 1 ist im Grunde eine Sinuswelle, die den Emitterwiderstand von Q2 verringert, wodurch der harmonische Ausgang erhöht wird.
Infolgedessen erzeugt ein 100-kHz-Kristall über 30 MHz hervorragende Harmonische. Es ist eine Serienschaltung.
Eine Reihe von Transistoren kann verwendet werden. Für Kristalle über 3 MHz werden Transistoren mit einem Produkt mit hoher Verstärkungsbandbreite empfohlen. Für Kristalle im Sortiment von 50 kHz bis 500 kHz werden Transistoren mit hoher LF-Verstärkung wie der 2N3565 bevorzugt.
Zusätzlich ist für Kristalle innerhalb dieser Auswahl die zulässige Verlustleistung normalerweise niedriger als 100 Mikrowatt, und eine Amplitudenbeschränkung kann wesentlich sein.
Eine reduzierte Versorgungsspannung im Gleichschritt mit einem effizienten Start wird empfohlen. Das Ändern der Schaltung durch Einschluss von Dioden, wie in Fig. 3 gezeigt, ist eine vorteilhaftere Technik, und die Starteffizienz wird verbessert.
Die Schaltung wird mit geeigneten Transistoren und Emitterwiderstandswerten bis zu 10 MHz schwingen. Ein Emitterfolger oder Quellfolgerpuffer wird normalerweise empfohlen.
Identische Kommentare zu dem obigen beziehen sich auf Fig. 2. Ein Emitterfolgerpuffer ist in diese Schaltung eingebaut.
Die beiden Schaltkreise sind etwas empfindlich gegenüber Frequenz- und Netzspannungsschwankungen und Lastspezifikationen. Eine Last von 1 k oder höher wird empfohlen.
TTL lC könnte mit Quarzoszillatorschaltungen kombiniert werden, obwohl zahlreiche veröffentlichte Schaltungen eine schreckliche Starteffizienz besitzen oder aufgrund großer Parameter in lCs keine Wiederholbarkeit erfahren.
Die Schaltung in Abb. 4 wurde vom Autor im Bereich von 1 MHz bis 18 MHz experimentiert und wird empfohlen. Dies ist ein Serienmodus-Oszillator und ergänzt AT-geschnittene Kristalle.
Der Ausgang liegt bei etwa 3 V Spitze-Spitze, Rechteckwelle bis zu etwa 5 MHz, oberhalb derer sich dies eher zu Halbsinusimpulsen entwickelt. Die Starteffizienz ist hervorragend, was bei TTL-Oszillatoren meistens ein kritischer Faktor zu sein scheint.
KRISTALLOSZILLATOREN MIT NIEDRIGER FREQUENZ
Kristalle im Bereich von 50 kHz bis 500 kHz erfordern charakteristische Faktoren, die in den vorherrschenden AT- oder BT-geschnittenen HF-Kristallen nicht entdeckt werden.
Der ähnliche Serienwiderstand ist viel größer und ihre zulässige Verlustleistung ist auf unter 100 Mikrowatt, idealerweise 50 Mikrowatt oder weniger, beschränkt.
Die Schaltung in Fig. 5 ist ein Serienmodusoszillator. Es bietet den Vorteil, dass kein abgestimmter Schaltkreis benötigt wird, und bietet die Wahl zwischen Sinus- oder Rechteckwellenausgang. Für Kristalle im Bereich von 50 bis 150 kHz werden 2N3565-Transistoren empfohlen, obwohl der Verlag BC107 für angemessen hält.
Beide Sorten können für Kristalle im Bereich von 150 kHz bis 500 kHz geeignet sein. Wenn Sie glauben, dass der Kristall einen großen äquivalenten Serienwiderstand enthält, können Sie den Wert von R1 auf 270 Ohm und R2 auf 3,3 k erhöhen.
Für Rechteckwellenoperationen beträgt C1 1 uF (oder vielleicht eine Größe daneben oder größer als diese). Für den Sinuswellenausgang befindet sich C1 nicht im Stromkreis.
Die Amplitudenregelung ist unnötig. Der Sinuswellenausgang beträgt ungefähr 1 V eff, der quadratische Verzichtausgang ungefähr 4 V von Spitze zu Spitze.
Die Schaltung in Fig. 6 ist tatsächlich ein überarbeiteter Typ des Colpitts-Oszillators mit dem Widerstand Rf zur Regulierung der Rückkopplung. Die Kondensatoren C1 und C2 müssen durch berechnete Größen minimiert werden, wenn die Frequenz erhöht wird.
Bei 500 kHz müssen die Werte für C1 und C2 entsprechend ungefähr 100 pF und 1500 pF betragen. Die bewährte Schaltung bietet eine Sinuswellenausgabe mit der zweiten Harmonischen um etwa 40 dB niedriger (oder höher).
Dies wird oft durch achtsames Optimieren von Rf und C1 minimiert. Denken Sie daran, dass der Oszillator bei der verringerten Rückkopplung, die erforderlich ist, um dies zu erreichen, etwa 20 Sekunden benötigt, um die volle Leistung zu erreichen.
Der Ausgang liegt zwischen 2 und 3 Volt von Spitze zu Spitze. Wenn Sie einen mit Oberschwingungen beladenen Ausgang benötigen, wird dies durch die einfache Aufnahme eines 0,1-uF-Kondensators über dem Emitterwiderstand erreicht. Die Leistung steigt anschließend von Spitze zu Spitze auf etwa 5 V.
In solchen Fällen könnte die Versorgungsspannung verringert werden, um die Kristallverlustleistung zu verringern. Andere Transistoren können verwendet werden, obwohl Vorspannung und Rückkopplung möglicherweise angepasst werden müssen. Für kanteröse Kristalle, die so konstruiert sind, dass sie in anderen Modi als den gewünschten schwingen, wird die Schaltung in Abb. 7 dringend empfohlen
Die Rückkopplung wird durch einen Abgriff entlang der Kollektorlast von Q1 gesteuert. Die Begrenzung der Amplitude ist wichtig, um die Kristalldissipation innerhalb der Grenzen aufrechtzuerhalten. Für 50-kHz-Kristalle muss die Spule 2 mH und der Resonanzkondensator 0,01 uF betragen. Die Ausgangsleistung beträgt ungefähr 0,5 V eff, im Grunde genommen eine Sinuswelle.
Die Verwendung eines Emitter-Follower- oder Source-Follower-Puffers wird dringend empfohlen.
Wenn ein Parallelmoduskristall verwendet wird, muss der in Reihe mit dem Kristall angegebene 1000-pF-Kondensator auf die ausgewählte Lastkapazität des Kristalls geändert werden (typischerweise 30, 50 bis 100 pF für diese Kristalltypen).
HF CRYSTAL OSCILLATOR CIRCUITS
Festkörperdesigns für die bekannten AT-geschnittenen HF-Kristalle sind in der Regel zahlreich. Die Ergebnisse sind jedoch nicht unbedingt das, was Sie erwarten. Die Mehrzahl der essentiellen Kristalle bis zu 20 MHz wird typischerweise für die Parallelmodusfunktion ausgewählt.
Trotzdem kann diese Art von Kristallen in Serienmodusoszillatoren verwendet werden, indem die gewünschte Lastkapazität wie zuvor angegeben in Reihe mit dem Kristall geschaltet wird. Die zwei Arten von Schaltungen werden unten diskutiert.
Ein guter Oszillator für den Bereich von 3 bis 10 MHz, der keine abgestimmte Schaltung erfordert, ist in Fig. 8 (a) dargestellt. Es ist natürlich die gleiche Schaltung wie in Fig. 6. Die Schaltung funktioniert bis zu 1 MHz sehr gut, wenn C1 und C2 höher als 470 pF bzw. 820 pF sind. Es kann auf 15 MHz verwendet werden, wenn C1 und C2 auf 120 pF und 330 pF verringert werden. beziehungsweise.
Diese Schaltung wird für unkritische Zwecke empfohlen, bei denen eine große harmonische Ausgabe gewünscht wird oder keine Option ist. Die Einbeziehung eines abgestimmten Schaltkreises wie in 8b minimiert die harmonische Ausgabe erheblich.
Ein abgestimmter Schaltkreis mit einem wesentlichen Q wird normalerweise empfohlen. In einem 6-MHz-Oszillator haben wir die folgenden Ergebnisse erzielt. Bei einer Spule Q von 50 betrug die 2. Harmonische bis zum Ende 35 dB.
Mit einem Q von 160 waren es -50 dB gewesen! Der Widerstand Rf könnte geändert werden (etwas erhöhen), um dies zu verbessern. Der Ausgang wird zusätzlich mit einer Spule mit hohem Q erhöht.
Wie früher beobachtet, dauert es bei verringerter Rückkopplung einige zehn Sekunden, um beim Einschalten eine 100% ige Ausgabe zu erzielen, obwohl die Frequenzstabilität fantastisch ist.
Das Funktionieren bei verschiedenen Frequenzen kann erreicht werden, indem die Kondensatoren und die Spule effektiv eingestellt werden.
Diese Schaltung (Abb. 8) könnte auch in einen äußerst nützlichen VXO umgewandelt werden. Eine winzige Induktivität wird in Reihe mit dem Kristall definiert und einer der Kondensatoren innerhalb der Rückkopplungsschaltung wird als variabler Typ verwendet.
Ein üblicher 10-415 pF-Sender-Abstimmkondensator mit zwei Gruppen erfüllt die Aufgabe perfekt. Jede Banden sind parallel verbunden.
Der Abstimmbereich wird durch den Kristall, die Induktivität von L1 und die Frequenz bestimmt. Ein größerer Bereich ist allgemein mit den höherfrequenten Kristallen zugänglich. Die Stabilität ist extrem gut und kommt der des Kristalls nahe.
Ein UKW-Oszillator-Multiplikator
Die Schaltung in Abb. 10 ist eine modifizierte Version des Obertonoszillators „Impedanzinvertierung“. Typischerweise ist der Kollektor beim Anlegen der Impedanzinvertierungsschaltung entweder nicht abgestimmt oder für HF geerdet.
Der Kollektor könnte auf das Zweifache oder Dreifache der Kristallfrequenz abgestimmt werden, um die Ausgabe bei der Kristallfrequenz zu minimieren. Es wird eine zweifach abgestimmte Schaltung vorgeschlagen.
SIE SOLLTEN den Kollektor NIEMALS auf die Kristallfrequenz einstellen, da sonst die Schaltung mit einer Frequenz schwingen kann, die außerhalb der Kontrolle des Kristalls liegt. Sie müssen die Kollektorkabel sehr klein und eins zu eins so viel wie möglich halten.
Die Endergebnisse mit dieser Art von Schaltung waren großartig. Nahezu alle Ausgänge außer dem gewünschten Ausgang lagen bei -60 dB oder höher.
Die Rauschproduktion erreicht mindestens 70 dB unter der gewünschten Leistung. Dies schafft einen hervorragenden Umwandlungsoszillator für VHF / UHF-Wandler.
Praktisch 2 V HF können am heißen Anschluss von L3 (Original des Autors bei 30 MHz) erhalten werden. Eine von Zener regulierte Versorgung wird dringend empfohlen.
Wie im Diagramm dargestellt, sind verschiedene Schaltungswerte für verschiedene Transistoren wesentlich. Streuner in einer bestimmten Struktur können ebenfalls Modifikationen erfordern. L1 kann verwendet werden, um den Kristall auf der Frequenz zu bewegen. Kleinere Frequenzänderungen (ca. 1 ppm) finden statt, während L2 und L3 eingestellt werden und Lastschwankungen verwendet werden. Allerdings könnten diese Dinge bei echten Tests unbedeutend sein.
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