安定した水晶振動子。スキーム、説明

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安定した水晶発振器。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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水晶共振子の安定化特性は、直列共振周波数で励振された場合に最も完全に実現されることが知られています。著者は、直列共振周波数で自励し、実質的に調整が不要な水晶周波数安定化発振器の開発に成功した。

接続されたトランジスタ段のエミッタ間に水晶共振器が接続される、よく知られた発生器が基礎として採用されました。簡略化した回路 (トランジスタバイアス回路なし) を図に示します。 1. トランジスタVT1はスキームに従って共通ベースに接続され、VT2は共通コレクタ（エミッタフォロワ）に接続されます。ご存知のとおり、エミッタフォロワの出力抵抗とベースが共通の入力カスケードは非常に小さいため、水晶共振子はXNUMXつの小さなほぼアクティブな抵抗の間に接続されます。これらの条件下では、抵抗が最小となる直列共振周波数でのみ信号を通過させ、フィードバックループを閉じます。

安定した水晶発振器

発電機を自励するには、振幅と位相のバランスを維持する必要があります。 XNUMX つ目は、フィードバックリング内のすべてのリンクのゲインの積が XNUMX よりわずかに大きくなるようにすることです。この値より小さいと発電機は自励しません。それより大きいと過励磁となり、その結果周波数安定性と信号形状が劣化します（トランジスタ特性の非線形領域に入るため））。

位相バランスとは、リング内の位相侵入が 0 または 360° のいずれかであることです。そうしないと、追加の位相侵入によって共振器を補償する必要があり、共振器の位相特性に従って、発電機は正確に共振周波数ではなく、少し横にずれて自励します。そして最も不快なことは、この周波数シフトはモード、温度、その他の不安定要因に依存することです。ところで、共振器の品質係数はスキューによる周波数シフトが小さいほど高くなり、位相特性が急峻になります。このため、高品質の共振器を使用することが推奨されます。

R3C1 回路は、増幅段 (VT1) をエミッタフォロワ (VT2) に接続する役割を果たし、提案された発電機で説明した条件を満たすのに役立ちます。発振回路を増幅器の負荷として使用することに抵抗があるため、増幅された電圧は負荷 R1 のアクティブ抵抗ではなく、コレクタ接合の静電容量によって放出されます。コレクタ容量の組み込み場所とSkの取り付け位置を図に示します。 1 つの破線。これらの容量は積分回路のように機能し、ほぼ 90°の位相遅れを生み出します。微分回路 R3C1 は同じ角度だけ位相を進めます。その結果、リング内の合計位相シフトはゼロに近づきます。静電容量C1を小さくすることで透過係数も小さくなり、過励磁をなくすことができます。出力信号は、エミッタフォロワトランジスタＶＴ２のコレクタ回路に含まれる抵抗器Ｒ４から都合よく除去される。出力インピーダンスが高いため、後続のステージが発電機の動作に及ぼす影響は無視できます。

上記の発電機を使った実験では、自励が非常に簡単で、調整がほとんど必要なく、部品の定格やトランジスタの種類にまったく依存しないことがわかりました。当然、水晶振動子の直列共振の基本周波数で発生します。ただし、VHF 局部発振器と送信機の場合、高調波発生器は優れており、共振器の周波数の 300 倍、さらには 500 倍の振動を生成します (ちなみに、後者の高調波の品質係数ははるかに高くなります)。この発電機を石英の第 1 高調波で励起させることは可能でしょうか?という疑問が生じました。発振回路がないにもかかわらず、それが可能であることが分かりました。これを行うには、高いカットオフ周波数（1 ... XNUMX MHz以上）のマイクロ波トランジスタを使用し、負荷抵抗RXNUMXと結合コンデンサCXNUMXの静電容量を最小限に抑える必要があります。この場合、第 XNUMX 高調波の自励条件は、第 XNUMX 高調波よりも良好に得られます。

実際の発生器回路を図 2 に示します。 XNUMX

安定した水晶発振器

DC トランジスタモードは、ベース回路の分圧器 R1R2 および R8R9 を決定します。コレクタ電流は抵抗器 R4 と R11 の抵抗値に依存し、この場合は約 4 mA で、発電機によって消費される合計電流は 8 mA です。モード選択は必要ありません。電源電圧を9Vに安定させることが望ましい。

筆者が発電機に使用したのは、27MHzのCB無線局で広く使われている金属ケース入りの小型水晶振動子です。主共振周波数は約9MHzですが、ケースには第5高調波の周波数が記載されています。かなり大きな共振器のバッチのうち、この発電機の自己励起に十分な活性を持たなかったのはほんのわずか (約 1%) でした。周波数を狭い範囲で調整するために、バリキャップマトリックス VD1 が BQ0 水晶共振子と直列に接続されます。制御電圧 Ucontrol が 9 から 700 V に変化すると、周波数は 1 Hz 変化しました。その後の周波数の逓倍 (そして偏差も同じ回数で逓倍される) を考慮すると、VHF 帯域の狭帯域 FM にはこれで十分です。制御電圧による発電機周波数の変調または遠隔調整が必要ない場合、要素VD5、R7-R4、C5およびC2を除外できます（図によると、この場合の共振器の出力は右側に接続されています）エミッタ VT1 に直接接続します）。小さな制限内で、BQXNUMX 水晶振動子と直列に接続されたトリマーコンデンサを使用して周波数を調整することもできます。

発生器のセットアップは、同調コンデンサ C2 の静電容量を変更するだけで済み、第 0,5 高調波で安定した自励励起が得られます。容量が不足すると、発電は完全に機能しなくなり、容量が過剰になると、第 XNUMX 高調波への「ジャンプ」が発生する可能性があります。出力電圧は約 XNUMX V です。ジェネレータ出力に接続された高周波オシロスコープで制御すると便利です。

著者: ウラジミール・ポリアコフ (RA3AAE)

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