高調波の水晶発振器。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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著者[1、2]のループレス水晶発振器 (CG) のスキームを使用すると、水晶の第 XNUMX (基本) 高調波だけでなく、その第 XNUMX 高調波でも発電を得ることができます。 同時に、これらの回路では、高調波 (いわゆる高調波) を生成するために特別に設計された水晶と通常の水晶の両方が XNUMX 次高調波で動作することに注目するのは興味深いことです。

ただし、上記の回路はループレス オーバートーン水晶発振器の回路をすべて網羅するものではなく、バイポーラ トランジスタに基づくこのような発振器のファミリーの別の回路を図に示します。 1. このような CH は、[1, 2] のスキームよりも単純です。

一見すると、この回路はよく知られている容量性の「XNUMX 点」回路のように見えますが、「古典的な」回路とは異なります。 このジェネレータには、「古典的な」KG 回路と比較して、フィードバック コンデンサの XNUMX つ (トランジスタのベースとエミッタの間) がありません。

素子数の削減に加えて、この回路には他の利点もあり、「クラシック」KG はクォーツの第 1 高調波のみを生成します。 数多くの実験において、著者は第 3 (機械的) 高調波での発電を得ることができませんでした。 図 3 に示す回路は、十分に小さい静電容量 C3 (通常は数十ピコファラッド) を備えているため、水晶の XNUMX 次高調波で容易に起動します。 同時に、静電容量CXNUMXが増加するにつれて、KGの出力RF電圧のレベルは徐々に減少します（発生する振動の周波数も数十〜数百ヘルツわずかに減少します）。 この場合に発生する振動の振幅は再び増加します。

図。 1

C3 がさらに大きく増加すると、発振振幅が徐々に減少し、周波数がわずかに減少し、最終的には十分に大きな静電容量 C3 (たとえば、周波数 27 MHz の水晶の場合は数ナノファラッド) になります。 KG振動は崩れます。 静電容量 C3 が増加するにつれて CG で発生する現象の図を図に示します。 2.

図。 2

第一高調波（「高調波」水晶の場合）での生成中の KG の出力電圧の振幅は、（同じ水晶の場合）第三高調波での生成中よりも大きいことがわかります。 したがって、図では。 図 2 は最も一般的なケースを示しており、水晶では機械的第 XNUMX 高調波と第 XNUMX 調波の両方で生成が可能です。

場合によっては (非常にまれですが)、第一高調波のみを生成するクォーツがまだ存在します。 この場合、図では、 図２では、１つのピーク（右）のみが残り、左側のピークと２周波振動の領域が消失している。 静電容量 C2 が変化したときの KG 周波数の「ジャンプ」を観察するには、RF オシロスコープと周波数計を適切なバッファ段 (3 kΩ 以上の入力抵抗とそれ以下の入力静電容量) を介して KG に接続する必要があります。数ピコファラッドよりも）。

C3 として、KPI (12 ～ 495 pF) が使用されます。これは、直接または小さな容量 (数十ピコファラッド) を介して KG 回路に含まれています。 KPI は、最小限の長さの太い非絶縁ワイヤで KG ボードに接続されています。

しかし、実用化の観点からは、図に示した方式が最適です。 3. この場合、バッファステージの要件は大幅に軽減されます。 それにもかかわらず、そのようなKG回路が受信機またはトランシーバーの一部として使用される場合でも、バッファ段(少なくとも最も単純なもの)が依然として望ましい。 また、上記KG回路の電源の安定化も必要です。 回路内の抵抗値には特に注意を払う必要があります（図1および3）。それらは広範囲にわたって変更できません。 したがって、図によるKGスキームの場合、 1 電源電圧が 9 ～ 12 V の場合、次の条件を満たす必要があります。

R1 = R2 = 20 * R3;

R3 = 470...2000 オーム (1)

図によるKG。 3 を同じ電源電圧で使用するには、次の条件が必要です。

R1 \u2d R20 \u4d 3 * R4（RXNUMX "RXNUMXで）;

R4 = 470.. 2000 オーム、(2)

または

R1=20*R4;

R2 = 10*R4 (R3 ~= R4);

R4 = 470...2000オーム;

R3 <= 1000 オーム。 (3)

条件 (1)、(2)、または (3) が満たされる場合にのみ、CG スキームは上記のように動作します。

バイアス抵抗の選択は、[3] の推奨事項を使用して行われます。 KG の出力インピーダンス (図 3) は R3 とほぼ同じです。

図。 3

このような CG のバッファ ステージは、[2] と同様に使用できます。 ただし、バッファ段では入力信号を微分する (場合によっては積分する) ことができるため、正弦波信号の場合には波形の歪みが生じることを常に覚えておく必要があります。

上記の KG スキームは、アマチュア無線設計での幅広い使用に推奨できます。 著者によれば、特に成功したのは図の図です。 これは、3オームのRF出力を備えています（定格R50=R1=2kオーム、R10=3オーム）。

これらの KG 方式は、分類 [5] によれば「169 点式」であり、石英の 3 次高調波と 3 次高調波の両方で動作できます。 例えば、図１によるスキームにおける石英ＲＫ－１６９。 ３（Ｒ３＝５１オーム）は、Ｃ３＝５１ｐＦで２７４１１ｋＨｚの周波数、Ｃ３＝３３０ｐＦで９１４２．４２ｋＨｚの周波数で生成され、一方、２７．４１ＭＨｚの周波数が石英ケースに示されていた。

ここで、プロトタイプに基づいて著者が設計した発電機、つまりコンデンサ C2 と C4 を介した容量結合を備えた発電機であるピアス発電機について考えてみましょう (図 4)。

図。 4

水晶共振器は、ピアス発振器で動作する場合、誘導性リアクタンスを有するため、このような発振器は、水晶共振の直列周波数 fs と並列周波数 fp の間の周波数範囲で動作します。 [4] によれば、この発電機の水晶は fp に近い周波数で生成されますが、[6] では生成周波数が fp よりも fs に近いことに注意してください。 この点に関して、このようなCGを直列共振発生器と並列共振発生器に分割することは、生成される周波数が回路に含まれる反応性値に依存するため、完全には成功しません（たとえば、図5では、これらはC2とC4です） ）。

図。 5

図上。 4 つの抵抗 R1 と R2 は分圧器を形成し、トランジスタ VT1 のベースに必要なバイアス電圧を生成します。 動作点の高温安定性を得るために、直流用のOOS回路R3-C3が使用されます。

コンデンサ C1 と C3 はブロッキング コンデンサであり、十分な容量があれば、KG の周波数に影響を与えません。 同時に、コンデンサ C2 と C4 は発振の生成に直接関与し、周波数はそれらの静電容量に依存します。 インダクタ L1 の無効 (誘導) 抵抗は非常に大きい (コンデンサ C2、C4、水晶 ZQ1 のリアクタンスよりもはるかに大きい) ため、Pierce KG 回路におけるインダクタ L1 の役割は DC の分離のみに限定されます。およびRF電流。 このため、L1 は他の電流源 (抵抗器でも) に置き換えることができます。 このようなチョーク (特に品質係数 Q が高い) を使用すると、場合によっては水晶周波数で発電機がまったく励起されない可能性があることに特に注意してください。 スロットルの導入によりCGの信頼性が低下するので、できればやめたほうが良いでしょう。

CG の動作図を図に示します。 5. コンデンサ C2=C3 の静電容量を十分に小さく選択すると、水晶の 2 次高調波での生成が得られます。 これらの静電容量が増加すると、図に示すパターンが現れます。 XNUMX、そしてこれらの静電容量の値が十分に大きい場合、石英の第一高調波での発電が得られます。

トランジスタ VT2 と VT3 には、次々に接続されたエミッタフォロワであるバッファ段が形成されます。 抵抗 R3 と R7 は寄生防止機能があり、バッファーステージの安定性を高める働きをします。 С2=С3 を受け入れる場合、KG が XNUMX 次高調波で動作するとき、これらの静電容量は次の式から決定できます。

C2 \u3d CXNUMX \uXNUMXd L、(pF)

ここで、L は第 XNUMX 高調波 m の波長です。

第一高調波で信頼性の高い動作を実現するには、これらの静電容量を 3 倍、できれば 5 倍の大きさに選択する必要があります。

図上。 図 6 は、高入力抵抗を備えた電圧計に RF を取り付けた図を示しています。この電圧計を利用し、校正曲線を使用して、VT1 コレクタの RF 電圧が決定されました (図 5)。 プレフィックスは、DC 電圧測定モードで高抵抗 (RBX> 1 MΩ) 電圧計に接続されます。

図。 6

ハーモニッククォーツ (46,516 MHz) の 1 つについて得られたデータを表 50 に示します。 表からわかるように、周波数が27MHz程度の水晶であれば、基板やトランジスタ自体が持つ容量で十分です。 2 MHz の水晶では、C3 と CXNUMX が存在しない場合の第 XNUMX 高調波の発生は観察されません。

水晶発振器 (CG) の構築に使用されるバイポーラ トランジスタ (BT) は、トランジスタ自体に固有の電極間の静電容量 (Cbe、CKg、Cke) が十分に大きいという特徴があります。 これらをトランジスタの内部静電容量と呼びますが、BT の内部静電容量が大きいため、これらのトランジスタに対する KG の動作は、コンデンサの静電容量だけでなく、BT の内部静電容量によっても決定されます。 。 XNUMX つまたは XNUMX つの絶縁ゲートを備えたマイクロ波電界効果トランジスタ (FET) の内部静電容量は非常に小さく、RF BT の内部静電容量よりも XNUMX 桁 (またはそれ以上) 小さいです。 したがって、マイクロ波 FET に対する KG の仕事は、主にコンデンサの静電容量と設備の寄生容量によってのみ決まります。

FET 上の提案された KG 回路 (図 7) は、ソースフォロワに基づいて作成されています。 現在最も広く使用されているマイクロ波 FET は XNUMX つの絶縁ゲートを備えており、バイポーラ トランジスタと電界効果トランジスタでの KG の動作を比較するには、シングルゲート FET が必要です。そのような FET は、次のようにしてダブルゲート FET から得られます。ゲートを接続します。 使用されているマイクロ波 FET が数ギガヘルツまでの周波数範囲で動作することを考えると、非常に自己励起しやすいです (基板上の印刷トラックは一種のマイクロ波回路として「機能」します)。

図。 7

自己励起を排除するために、著者は低抵抗の寄生防止 SMD 抵抗器を使用しました。その値は経験的に選択されました (図 7 では、これらは R3 と R4 です)。 このようなSMD抵抗をFETの端子にできるだけ短くして実装し、測定時のKG周波数のずれをなくすためにソースフォロアとエミッタフォロアを直列に接続したバッファ段を接続します。 マイクロ波 FET で調査された CG の完全なスキームを図に示します。 8. このバッファ段は、HF BT のバッファ段よりもはるかに優れた特性を持っています (図 5)。

米。 8（クリックで拡大）

一見すると、BT と PT の CG 回路は動作原理は同じですが (両方の回路は広帯域ボルテージフォロワに基づいています)、実験では動作が異なることが示されています。 BT 上の CG (図 1) では、トランジスタのエミッタ回路内のコンデンサの一定の (小さい) 静電容量により、XNUMX 次高調波が発生します。 コンデンサの静電容量が増加しても、水晶の同じ高調波で生成が発生します。 そして、指定されたコンデンサの静電容量がさらに増加し​​た場合にのみ、発電機は複雑な振動の領域に入ります。 複雑な振動のゾーンは、通常、コンデンサの静電容量のかなり狭い範囲の変化 (ピコファラッドの分数 ... 単位) で観察されます。 同じ領域に出力電圧のピーク（最大値）が存在します。 コンデンサの静電容量がさらに増加すると、水晶の機械的第 XNUMX 高調波が発生します。

マイクロ波 FET の CG では、十分に低い周波数の水晶 (たとえば、機械的高調波が 9 MHz 程度) を使用すると、上記の状態変化はまったく観察されず、これは次の近似で説明できます。 FET の非常に小さな内部容量によって発生します。

図に示すように、特別に付属のコンデンサ (6,8 pF) を使用してこの仮定をテストします。 Szi としての図 7 と 8 では、トランジスタの対応する静電容量が人工的に増加されており、BT と PT での KG の動作が同等になります。 コンデンサを使用しない場合の FET 上の KG のデータ (周波数と出力電圧) を表 2 に示します。 テーブル内。 図３は、容量６．８ｐＦの追加コンデンサを取り付けた場合のデータを示す。 この場合、同じ石英 (3 kHz) と抵抗器 R6,8=R27668=1 kOhm が使用されました。 追加のコンデンサ Czi を取り付けた後、検討中の KG は BT の KG と同様に動作し始めました。

FET 上の KG が高周波水晶 (たとえば、約 15 MHz の機械的第 4 高調波を持つ水晶) で動作する場合、FET の内部静電容量 (Czi) 自体は、KG の通常の動作にはすでに十分です。 高周波水晶を使用した CG のデータを表に示します。 46,516 (1 MHz)。 この場合、R2 \u20d RXNUMX \uXNUMXd XNUMX kOhm。

表からの周波数と出力電圧の C3 の値への依存性。 図２および図３を図示する。 2と3、そして表から。 9 - 図。 十一。

図。 9

図。 10

図。 11

備考：

1 C3=20 pf では、XNUMX 周波数振動のゾーンがあります。

2 R1=R2=1 MΩ の場合、周波数 15,52 MHz でのみ発生

考慮されているすべての KG 回路の発振器とバッファ段のトランジスタは、かなりのレベルの RF 信号で動作するため、重大な非線形歪みが発生します。 KG の出力には、かなりのレベルの信号の電気高調波も存在します。 これらの高調波の周波数は、基本周波数 (つまり、最初の高調波) の整数倍です。 たとえば、水晶が 9 MHz の周波数で動作している場合、KG の出力には 18、27、36、45 MHz などの周波数も存在します。 ただし、一般に、これらの高調波は、最初の高調波よりも XNUMX 桁か弱いです。 クォーツの機械的高調波は、互いに正確に整数倍大きいわけではありません。 したがって、水晶の機械的高調波の XNUMX 番目と XNUMX 番目の周波数は、XNUMX 倍に等しくない係数で異なります。

クォーツの機械的高調波のこの特徴を利用して、機械的高調波と電気的高調波を区別することができます。 たとえば、表 1 のデータを使用して、周波数比を取得します。

f3/f1 = (46518,46+46518,15)*2/(2*(15516,82+15513,54))=46518,3/15515,18=2,998 (4)

機械的高調波に基づく共振器の周波数は、[9] に従って次の式で決定されます。

fn = n(1 -Yn)*f1、(5)

ここで、fn は水晶の n 番目の機械的高調波の周波数、n は対応する高調波の数 (この場合は奇数の整数)、f1 は水晶の 3 番目の機械的高調波の周波数、Yn は次の条件に応じた補正係数です。高調波数。 たとえば、Y0,001=9 [5] したがって、XNUMX 番目の機械的高調波の式 (XNUMX) は次の形式になります。

f3=3*(1-0,001)*f1, (6)

そこから

f3/f1 = 3*(1 -0,001) = 2,997 (7)

式(4)と式(7)の数値はほぼ一致しているので、発電機では水晶の機械的高調波の第XNUMX高調波と第XNUMX高調波の両方で発電が可能であると言えます。

複雑な発振領域 (図 2) は、上で検討したすべての KG 回路に存在しており、オシロスコープを KG 出力に接続することで検出できます。 通常の正弦波とは程遠い、複雑な画像が画面上で観察されます。 複雑な振動のゾーンでは、第 3 および第 XNUMX 機械高調波の振動が共存し、対応するコンデンサ (CXNUMX) の静電容量が増加すると、第 XNUMX 高調波の振幅が減少し、第 XNUMX 高調波の振幅が増加します。 。

考慮したすべての CG で、最初の機械的高調波を生成する場合、出力電圧は 3 番目の機械的高調波を生成する場合よりも若干高くなることがわかります。 第 XNUMX の機械的高調波の周波数の振動は、第 XNUMX の機械的高調波の周波数の振動よりも常に「強い」ため、KG の出力電圧は、「制御回路」の静電容量の増加とともに XNUMX 周波数振動の領域で増加します。 「コンデンサ（CXNUMX）」。 逆に、XNUMX 周波数発振ゾーンの外側で「制御」コンデンサの静電容量が増加すると、発電機の出力電圧が低下します。

BT と FET 上の CG の動作で観察された違い、および十分に低い周波数の水晶を使用した場合の PT 上の CG の異常な動作は、次の値の違いによるものです。 BT の Cbe と PT の Czi (Cbe "Czi)。FET のゲートとソースの間に追加の容量 Cdop (Cdop ~= Szi) を接続して Cbe と Czi を比較すると、BT の KG と、 FET はほぼ同じように動作し始めます。上で説明したすべての KG 回路は水晶の第 12 および第 XNUMX 機械高調波の両方で動作するため、図 XNUMX に示すように、等価な水晶回路を解析に使用できます。

図。 12

このような水晶回路を使用すると、図13のようにFET発振器の等価回路を表すことができます。 XNUMX.

図。 13

考慮されているすべての KG 方式には、水晶自体を除いて、発振 (共振) 回路が含まれていません。 これにより、基本的に「制御」コンデンサの静電容量のみを選択することにより、このような高調波 CG の製造と調整が大幅に簡素化されます。

文学

1. Artemenko V. 回路のない水晶発振器。 - アマチュア無線、2000 年、第 8 号、27 ページ。
2. Artemenko V. クォーツ倍音回路レス発振器。 - Radiomir KB および VHF、2002 年、No. 1、27 ～ 29 ページ。
3. Horowitz P.、Hill W.回路の芸術。 第 1 巻 - M.: ミール、1984 年。
4. Khablovski I.、Skulimovski V. エレクトロニクスの質疑応答。 - M.: ラジオと通信、1984 年。
5. Belousov O. 2001 点水晶振動子。 - ラジオミール、7 年、N33、p.XNUMX。
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7. Belousov O. 水晶振動子 - Radioamator、2002 年、第 6 号、p.25。
8. Artemenko V. バイポーラ トランジスタ上のバリア高周波発生器。 - ラジオホビー、2000 年、第 2 号、35 ページ。
9. Labutin L. 水晶振動子 - ラジオ。 1975 年、N3、13 ～ 16 ページ。

著者：V.Artemenko、UT5UDJ、Kiev

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