Compreendendo os circuitos do oscilador de cristal

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As configurações básicas do circuito oscilador de cristal de estado sólido são hoje mais desenvolvidas, quase todos os circuitos sendo modificações dos sistemas de tubo de vácuo amplamente reconhecidos, como o oscilador Pierce, Hartley, Clapp e Butler e funcionam com dispositivos bipolares e FET.

Embora todos esses circuitos atendam fundamentalmente seus objetivos projetados, existem muitas aplicações que exigem algo completamente diferente ou onde a funcionalidade requer uma descrição precisa.



Listados abaixo estão uma variedade de circuitos, para uma variedade de aplicações, desde LF até a faixa de VHF, que não são normalmente vistos em livros ou uso amador.

As técnicas básicas de circuito oscilador de cristal de estado sólido estão agora bem estabelecidas, a maioria dos circuitos sendo adaptações da tecnologia de tubo de vácuo bem conhecida, como o oscilador Pierce, Hartley, Clapp e Butler e usam dispositivos bipolares e FET.



Embora esses circuitos basicamente cumpram sua finalidade pretendida, existem muitas aplicações que exigem algo diferente ou onde o desempenho precisa ser caracterizado de forma confiável.

São apresentados aqui uma variedade de circuitos, para uma gama de aplicações de LF até a faixa de VHF, que não são comumente encontrados no uso amador atual ou na literatura.

MODOS DE OPERAÇÃO

Um ponto raramente valorizado, ou simplesmente esquecido, é o fato de que os cristais de quartzo podem oscilar em modo ressonante paralelo e modo ressonante série. As duas frequências são divididas com uma pequena diferença, geralmente 2-15 kHz na faixa de frequência.

A frequência de ressonância em série é menor em frequência em comparação com a paralela.

Um cristal específico projetado para uso no modo paralelo pode ser aplicado apropriadamente em um circuito ressonante em série caso um capacitor equivalente em magnitude à sua capacitância de carga exata (normalmente 20,30, 50 ou 100 pF) seja conectado em série com o cristal.

Infelizmente, não é possível inverter a tarefa para cristal ressonante em série em circuitos de modo paralelo. O cristal de modo em série provavelmente oscilará além de sua frequência calibrada em sua situação e pode não ser viável carregá-lo capacitivamente o suficiente.

circuito de mordomo periódico

Os cristais harmônicos funcionam no modo de série, geralmente no terceiro, quinto ou sétimo tom, e o fabricante geralmente calibra o cristal na frequência de tons harmônicos.

Rodar um cristal no modo paralelo e multiplicar a frequência 3 ou 5 vezes gera um novo resultado ao operar precisamente o mesmo cristal no modo série em seu terceiro ou quinto harmônico.

Ao comprar cristais harmônicos, fique longe do dilema e identifique a frequência desejada, em vez da frequência fundamental aparente.

Cristais fundamentais na faixa de 500 kHz a 20 MHz são geralmente construídos para funcionamento em modo paralelo, no entanto, operação em modo série pode ser solicitada.

Para cristais de baixa frequência de até 1 MHz, qualquer modo pode ser escolhido. Cristais harmônicos normalmente cobrem a faixa de 15 MHz a 150 MHz.

WIDE RANGE ou OSCILADORES APERIÓDICOS

Os osciladores que nunca fazem uso de circuitos sintonizados são frequentemente muito úteis, seja como 'verificadores de cristal' ou por qualquer outro motivo. Especialmente para cristais LF, os circuitos sintonizados podem ser bastante grandes.

Por outro lado, eles geralmente têm suas próprias armadilhas. Alguns cristais são suscetíveis à oscilação em modos indesejáveis, especialmente os cristais de corte DT e CT destinados aos osciladores de quartzo LF.

É realmente uma boa ideia ter certeza de que a saída está na frequência correta e que nenhuma 'instabilidade de modo' seja aparente. Minimizar o feedback nas frequências mais altas geralmente resolve isso.

Em casos especiais, a teoria acima pode ser esquecida e um oscilador possuindo um circuito sintonizado aplicado como alternativa (os osciladores de cristal LF são revisados ​​posteriormente).

Circuitos de Cristal

O primeiro circuito abaixo é um oscilador acoplado a emissor, uma variação do circuito Butler. A saída do circuito na Fig. 1 é basicamente uma onda senoidal que diminui o resistor do emissor de Q2 e aumenta a saída harmônica.

Como resultado, um cristal de 100 kHz gera harmônicos excelentes via 30 MHz. É um circuito de modo em série.

Uma variedade de transistores pode ser empregada. Para cristais acima de 3 MHz, são recomendados transistores com um produto de alta largura de banda de ganho. Para cristais na faixa de 50 kHz a 500 kHz, transistores com alto ganho de LF, como o 2N3565, são preferidos.

Além disso, para os cristais dentro desta seleção, a dissipação permitida é normalmente inferior a 100 microwatts e a restrição de amplitude pode ser essencial.

É sugerida a redução da tensão de alimentação, em conjunto com uma inicialização eficiente. Alterar o circuito por meio da inclusão de diodos, conforme mostrado na Fig. 3, é uma técnica mais benéfica e aumenta a eficiência de partida.

O circuito vai oscilar em até 10 MHz usando transistores adequados e valores de resistor de emissor. Um seguidor de emissor ou buffer de seguidor de fonte geralmente é recomendado.

Comentários idênticos aos acima se conectam com a Fig. 2. Um buffer seguidor de emissor é incorporado a este circuito.

Os dois circuitos são um tanto sensíveis à frequência e às variações de tensão de alimentação e especificações de carga. Recomenda-se uma carga de 1 k ou superior.

circuito em série de oscilador acoplado a emissor


TTL lC pode ser combinado com circuitos osciladores de cristal, embora vários circuitos publicados possuam uma péssima eficiência de partida ou experimentem a não repetibilidade devido a vastos parâmetros em lC's.

O circuito da Fig. 4. foi experimentado pelo autor na faixa de 1 MHz a 18 MHz e será incentivado. Este é um oscilador de modo em série e complementa os cristais de corte AT.

Oscilador de cristal TTL

A saída é de cerca de 3 V pico a pico, onda quadrada de até cerca de 5 MHz acima da qual se torna mais semelhante a pulsos de meio seno. A eficiência de partida é excelente, o que parece ser principalmente um fator crítico com osciladores TTL.

OSCILADORES DE CRISTAL DE BAIXA FREQUÊNCIA

Cristais dentro da faixa de 50 kHz a 500 kHz exigem fatores distintos não identificados nos cristais de corte AT ou BT mais prevalentes.

A resistência em série semelhante é muito maior e sua dissipação permitida é restrita a menos de 100 microwatts, idealmente 50 microwatts ou menos.

O circuito da Fig. 5 é um oscilador de modo em série. Ele oferece a vantagem de não precisar de um circuito sintonizado e possui uma opção de saída de onda senoidal ou quadrada. Para cristais dentro do espectro de 50-150 kHz, os transistores 2N3565 são recomendados, embora a editora considere o BC107 razoável.

Ambas as variedades podem ser adequadas para cristais na faixa de 150 kHz a 500 kHz. Se você acha que o cristal inclui uma grande resistência em série equivalente, você pode aumentar o valor de R1 para 270 ohms e R2 para 3,3 k.

Circuito oscilador do modo série de baixa frequência

Para operações de onda quadrada, C1 é 1 uF (ou talvez uma magnitude ao lado, ou maior que ela). Para saída de onda senoidal, C1 não está no circuito.

O controle de amplitude é desnecessário. A saída da onda senoidal é de aproximadamente 1 V rms, saída de onda quadrada em torno de 4 V pico a pico.

O circuito da Fig. 6 é na verdade um tipo revisado do oscilador Colpitts, com a inclusão do resistor Rf para regular o feedback. Os capacitores C1 e C2 devem ser minimizados por meio de magnitudes calculadas à medida que a frequência é aumentada.

A 500 kHz, os valores de C1 e C2 devem ser aproximadamente 100 pF e 1500 pF correspondentemente. O circuito comprovado oferece saída de onda senoidal usando o segundo harmônico em torno de 40 dB inferior (ou superior).

Isso geralmente é minimizado por meio de ajustes cuidadosos de Rf e C1. Lembre-se de que, na diminuição da quantidade, um feedback é essencial para conseguir isso, pois leva cerca de 20 segundos para que o oscilador atinja a saída total.

A saída é de cerca de 2 a 3 volts pico a pico. Quando você precisa de uma saída carregada com harmônicos, a fácil inclusão de um capacitor de 0,1 uF sobre o resistor do emissor fará isso. A saída subsequentemente aumenta para cerca de 5 V pico a pico.

A tensão da fonte de alimentação pode ser diminuída nesses casos para reduzir a dissipação do cristal. Outros transistores podem ser usados, embora a polarização e o feedback possam ter que ser ajustados. Para cristais rabugentos projetados para oscilar em modos diferentes daqueles que você gostaria, o circuito da Fig.7 sugeriu fortemente

Circuito oscilador de cristal sintonizado de 100 kHz

O feedback é controlado por uma derivação ao longo da carga do coletor de Q1. O confinamento da amplitude é importante para manter a dissipação do cristal dentro dos limites. Para cristais de 50 kHz, a bobina precisa ser de 2 mH e seu capacitor ressonante de 0,01 uF. A saída é de aproximadamente 0,5 V rms, fundamentalmente uma onda senoidal.

A utilização de um seguidor de emissor ou buffer de seguidor de fonte é altamente recomendada.

No caso de um cristal de modo paralelo ser utilizado, o capacitor de 1000 pF indicado em série com o cristal deve ser alterado para a capacitância de carga selecionada do cristal (normalmente 30, 50 a 100 pF para esses tipos de cristais).

CIRCUITOS OSCILADORES DE CRISTAL HF

Projetos de estado sólido para os famosos cristais de corte AT tendem a ser legião. Mas os resultados não são necessariamente o que você espera obter. A maioria dos cristais essenciais de até 20 MHZ são normalmente escolhidos para funcionamento em modo paralelo.

No entanto, este tipo de cristal pode ser usado em osciladores de modo em série, posicionando a capacitância de carga desejada em série com o cristal, como afirmado anteriormente. Os dois tipos de circuito são discutidos abaixo.

Um bom oscilador para faixa de 3 a 10 MHz que não exige um circuito sintonizado é apresentado na Fig. 8 (a). É, naturalmente, o mesmo circuito da Fig.6. O circuito funciona extremamente bem até 1 MHz quando C1 e C2 são superiores a 470 pF e 820 pF, respectivamente. Pode ser utilizado para 15 MHz no caso de C1 e C2 serem diminuídos para 120 pF e 330 pF. respectivamente.

circuito oscilador paralelo

Este circuito é recomendado para fins não críticos, nos quais uma grande saída de harmônicos é desejada ou não é uma opção. A inclusão de um circuito sintonizado como em 8b minimiza a saída harmônica significativamente.

Um circuito sintonizado com um Q substancial é geralmente recomendado. Em um oscilador de 6 MHz, alcançamos os resultados abaixo. Tendo uma bobina Q de 50, o 2º harmônico era 35 dB até o fim.

Tendo um Q de 160, ele tinha sido -50 dB! O resistor Rf pode ser alterado (aumentar um pouco) para melhorar isso. A saída é adicionalmente aumentada usando uma bobina de Q alto.

Como observado anteriormente, com o feedback diminuído, são necessárias várias dezenas de segundos para atingir 100% de saída ao ligar, mesmo assim, a estabilidade da frequência é fantástica.

O funcionamento em frequências diferentes pode ser alcançado ajustando os capacitores e a bobina de forma eficaz.

Este circuito (Fig. 8) também pode ser transformado em um VXO extremamente útil. Uma minúscula indutância é definida em série com o cristal e um dos capacitores dentro do circuito de feedback é usado como um tipo variável.

Um capacitor de sintonia de transmissor 10-415 pF comum de duas gangues executará a tarefa perfeitamente. Cada gangue está conectada em paralelo.

oscilador de frequência variável VXO

A faixa de sintonia é determinada pelo cristal, a indutância de L1 e a frequência. Uma faixa maior é geralmente acessível usando os cristais de alta frequência. A estabilidade é extremamente boa, chegando perto da do cristal.

UM VHF OSCILADOR-MULTIPLICADOR

O circuito na Fig.10 é uma versão modificada do oscilador de sobretom de 'inversão de impedância'. Normalmente, ao aplicar o circuito de inversão de impedância, o coletor é não sintonizado ou aterrado para RF.

O coletor poderia ser sintonizado em duas ou 3 vezes a frequência do cristal para minimizar a saída na frequência do cristal, um circuito sintonizado 2x é proposto.

VOCÊ NUNCA DEVE sintonizar o coletor para a freqüência do cristal, senão o circuito pode oscilar com uma freqüência que pode estar fora do controle do cristal. Você precisa manter o coletor de chumbo muito pequeno e um a um tanto quanto possível.

Os resultados finais com este tipo de circuito foram excelentes. Quase todas as saídas, além da saída desejada, estavam em -60 dB ou mais.

A produção de ruído atinge pelo menos 70 dB abaixo da saída desejada. Isso cria um oscilador de conversão excelente para conversores VHF / UHF.

Praticamente 2 V de RF podem ser obtidos no terminal quente de L3 (original do autor a 30 MHz). Recomenda-se fortemente um suprimento regulado por Zener.

Conforme indicado no diagrama, vários valores de circuito são essenciais para vários transistores. Strays em estruturas específicas também podem exigir modificações. L1 pode ser usado para mover o cristal na frequência. Pequenas modificações na frequência (cerca de 1 ppm) ocorrem durante o ajuste de L2 e L3, bem como usando variações de carga. Dito isso, em testes reais, essas coisas podem ser insignificantes.




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