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無線電子工学および電気工学の百科事典 水晶発生器。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
無線電子工学と電気工学の百科事典 / アマチュア無線機器の結び目。 ジェネレーター、ヘテロダイン LC回路の形の共振器で実行される自己発振器の周波数の相対的な不安定性は、通常10以上です-3... 10-4. 発生器の周波数安定性は、品質係数と振動システムの安定性に大きく依存します。 LC 回路の品質係数は、通常 200 ～ 300 を超えません。 最新の無線送信機と受信機は、周波数安定性に対する要求が厳しくなっています。 通常、少なくとも 10 の長期的な相対周波数不安定性-6... 10-8、これは水晶振動子を使用して実現できます。 水晶振動子の品質係数は、LC 回路上の共振器の品質係数よりも何倍も高く、104... 106. 水晶振動子の回路はたくさんあります。 したがって、実際に最も一般的に使用されるスキームを検討する必要が生じました。 一般的に受け入れられている水晶振動子の等価回路を図1に示します。 動的インダクタンス Ls、動的キャパシタンス Cs、および損失抵抗 Rs は、圧電素子の正圧および逆圧電効果と共振特性の存在によるものです。 並列容量 Cp は、圧電体の電極間容量、ケースと実装の容量によるものです。 動的分岐の共振周波数は、水晶振動子 Fs の直列共振周波数と呼ばれます。
水晶振動子 Q の品質係数は、直列発振回路の公式に従って動的分岐によって決定されます。 Q=(2pFsLs)/Rs 並列共振 Fp の周波数は Fs よりも若干高くなりますが、これは Cp、Cs、Ls の並列共振によるものです。 水晶振動子の重要なパラメータは、r で表され、容量係数と呼ばれる動的容量に対する並列容量の比です。 r=Cc/Cs さまざまな文献によると、水晶の AT カットの容量係数は 220 ～ 250 です。 Cs/Cp<0,1 を考慮すると、並列共振周波数の近似式を使用できます。 Fp=Fs(1+(Cs/2Cp))。 容量係数 r > 25 の場合、水晶振動子の並列共振と直列共振の周波数の差として定義される共振間隔は、次のように記述できます。 dF=Fs/2r。 水晶振動子の機械的高調波では、共振間隔が減少し、式によって決定されます。 dFn=Fs/(2rn2) ここで、n は高調波数です。 容量係数は、共振器の共振ギャップのサイズを決定します。したがって、制御された水晶発振器の周波数偏差、回路パラメータが変化したときの周波数安定性、水晶自励発振回路での発振の発生と維持の条件。 . 水晶振動子が励起される能力を評価するために、一部の水晶発振回路は、と呼ばれるパラメータを使用します。 品質係数。 これは、共振器の品質係数とその容量係数の比率として定義されます m=Q/r。 水晶振動子の場合、M の値は 1 から 10000 の範囲にあり、M<2 では、共振器のリアクタンスは正 (容量性) になり、誘導反応領域はありません。 その結果、誘導反応を必要とする水晶振動子の回路内のそのような共振器の励起は不可能になる。 M>2の場合、共振器には誘導反応の領域があり、Mの値が大きいほど、この領域は広くなります。 実際には、XNUMX 種類の水晶発振器が最も広く使用されています。 a) 水晶振動子が発振回路の一部であり、インダクタンスと等価である発電機。 b) 水晶振動子がフィードバック回路に含まれる発生器は、狭帯域フィルタとして使用され、アクティブ抵抗と等価です。 誘導反応を伴う回路の素子として水晶振動子を用いたものを発振器、帰還回路に水晶振動子を用いたものを直列共振発生器と呼びます。 コレクタとベースの間に水晶を備えた水晶発振器の発振回路を、接地されたエミッタ（容量性2点）を備えた回路に従って作成したものを図XNUMXに示します。
現在、容量性 22 点は、共振器が基本周波数で動作する場合は最大 66 MHz、3 次機械高調波で励起される場合は最大 XNUMX MHz の周波数範囲で広く使用されています (図 XNUMX)。 高周波で接地されたエミッタを備えた回路内のコレクタとベースの間に水晶振動子を備えた自己発振器は、非調和倍音で寄生発振する傾向がなく、電源電圧と周囲温度の変化に対して優れた周波数安定性を備えています。
電源電圧と時間に応じて、トランジスタの無効パラメータの変化の影響は、静電容量C1、C3（図2）の増加とともに弱まります。 発振器の動作周波数が Fg に近づくと、 ただし、静電容量を大きくしすぎると自励条件が悪化します。 一方、静電容量が増加すると、共振器内で消費される電力が増加し、生成される周波数の不安定性が増加します。 仕様によれば、石英の消費電力は 1 ～ 2 mW に制限されています。 ただし、このような損失電力がある 1 ～ 22 MHz の周波数範囲では、直列共振周波数は損失電力に依存し、比例係数は (0,5 ～ 2) · 10-9 Hz / μW となるため、非常に安定した発電機の場合、共振器の消費電力は 0,1 ～ 0,2 mW に制限される必要があります。 実際には、生成周波数が Fs からの共振間隔の 1 分の 3 を超えないように、静電容量 C3、C3 を選択することをお勧めします。 水晶振動子が水晶の奇数機械高調波で励起されると、抵抗 R4 の代わりにインダクタ Lk がオンになります (図 0,7)。 生成周波数では、Lk-C0,8 回路には静電容量が必要です。 その共振周波数は、生成周波数より低くなければなりません。 回路パラメータは、その固有周波数が生成周波数の XNUMX ～ XNUMX になるように選択する必要があります。 その結果、回路は必要な高調波の周波数で容量性伝導を持ち、より低い高調波と基本周波数での生成の可能性を排除します。 22 MHz を超える周波数で動作するオシレータ ジェネレータでは、共振器は通常、3 次または 5 次の高調波で励起されますが、並列容量の影響が強いため、それ以上の高調波では励起されません。 図2に示すよりも多くの場合、コレクタとベースの間に水晶振動子を備えた水晶発振器の容量性4点回路が、コレクタが接地されたトランジスタをオンにするための回路で使用されます（図3）。 この回路は、電子的に調整可能な発振器 (バリキャップ水晶と直列に接続されている場合) に特に役立ち、接地エミッタ回路よりもブロッキング要素が少なくなります。 水晶発振器の分野の多くの専門家は、共振器の基本波または第 3 の機械的高調波で動作するすべての水晶発振器回路の中で、容量性 5 点が最良であると考えています。 第 XNUMX および第 XNUMX 高調波で励起されるインダクタンスを含まない容量性 XNUMX 点回路があることに注意してください。
回路にクォーツを使用したオートオシレーター。 図4の回路でインダクタL1が水晶と直列に接続されている場合、これは新しい特性の出現につながります。 発電機（図5）では、水晶振動子では安定しない自己発振が可能です。
共振器の並列容量のリアクタンスが水晶共振器の動的分岐のリアクタンスより小さい高周波では、並列容量 Cp による自己励起が可能です。 インダクタンス L1 の存在は、直列共振の周波数、および直列共振の周波数より下の特定の離調領域で位相平衡を実行できる可能性を意味します。 インダクタンス L1 は、M<2 の条件での位相バランスの実現を保証し、石英の等価リアクタンスは誘導性になりません。 これは、回路内に水晶を含む発振器が、水晶共振子のより高い周波数とより多くの機械的高調波で動作できることを意味します。 高い周波数とより高い機械的高調波で発生する可能性が最も高い、並列容量 Cp による寄生自励を排除するために、抵抗 R1 が共振器と並列に接続され、寄生自励回路に損失をもたらします。 直列共振発生器回路を使用することにより、機械的高調波での水晶振動子の動作要件を減らすことができます。 周波数と高調波数が増加すると、等価抵抗が増加し、静的（並列）静電容量Срのシャント効果が増加するため、水晶振動子の活動が減少するため、中和または補償する必要があります。それ。 中和は、平衡ブリッジのアームの XNUMX つに水晶が配置されているブリッジ回路で実行できます。 直列共振のブリッジ自励発振器。 図 6 に示す回路では、ブリッジの正確なバランス (Cp=C2、XL1-2=XL2-3) を使用して、フィードバックは共振器のダイナミック ブランチを介してのみ実行されます。 水晶振動子の機械的高調波では、共振器の直列分岐の導電率が急激に増加し、ブリッジが不平衡になり、回路要素を適切に選択すると、発電機が励起されます。 L1-C3 ループは、目的の高調波周波数に調整する必要があります。
この方式では、水晶振動子を 5 次または 7 次高調波で励起することができます。 共振器の静電容量を中和する方式は、動作モードにとって非常に重要であり、調整が困難ですが、最大 100 MHz の周波数で使用できます。 中性化を伴う発振器の周波数上限は、寄生容量のためにループの初期容量を小さくすることができないため、周波数の増加に伴って大きな等価ループ抵抗を得ることの難しさによるものです。 バトラー方式 (図 7) は、最大 100 MHz の範囲の不安定化要因に対する最大の耐性を特徴としています。 発生周波数の上限は、エミッタフォロワの特性劣化によるものです。 バトラー回路では、トランジスタのエミッタ間のフィードバック回路に水晶振動子が含まれています。 トランジスタVT1は、共通コレクタとトランジスタVT2 - 共通ベースとのスキームに従って接続されています。 この回路の欠点は、並列の水晶キャパシタンス Cp を介して出力と入力が接続されているため、寄生自励が発生する傾向があることです。 この現象を解消するために、水晶に並列にインダクタを接続し、水晶の並列容量とともに、寄生発振の周波数に同調した共振回路を形成します。
補償付きの 300 つのトランジスタ上のバトラー方式による自己発振器。 最大 8 MHz の周波数では、ベース接地フィルタ回路などの単段フィルタ回路を使用することをお勧めします (図 2)。 本質的に、このような発振器は単段増幅器であり、その回路は狭帯域フィルタとして機能する水晶共振器を介してバイポーラトランジスタのエミッタに接続されています。 並列水晶容量 Cp とコイル LXNUMX によって形成される回路は、使用される高調波の周波数に同調されます。 動作周波数が増加すると、トランジスタの等価導電率が増加します。 自己励起条件の充足が悪化します。 しかし、それにもかかわらず、この発振器の高周波での自励条件は、コレクタとベースの間に水晶を使用し、回路内に水晶を使用した発振器よりも容易に満たされ、これがこの発振器の利点を決定します。
結論として、水晶発振器の考慮された回路は、水晶共振器によって安定化されたさまざまな発振器回路をすべて使い果たすわけではなく、回路の選択は、必要な等価パラメータを持つ水晶共振器の存在によって決定的に影響を受けることに注意する必要があります。出力電力、共振器で消費される電力、長期安定周波数などの要件。 レゾネーターについて少し。 発電機用の共振器を選択するときは、共振器の品質係数に特別な注意を払う必要があります。値が高いほど、周波数が安定します。 真空共振器は最高の品質係数を持っています。 しかし、共振器が優れているほど、高価になります。 多くの場合、サイドレゾナンスのレベルが高いレゾネーターがあります。 ソ連では、水晶振動子に加えて、ニオブ酸リチウム (RN または RM とマーク)、タンタル酸リチウム (RT とマーク)、および他の圧電体から共振器が製造されました。 このような振動子の等価パラメータは水晶振動子の等価パラメータとは異なるため、ケースに記載されている周波数が同じであっても、水晶が完全に動作する回路では駆動できない場合があります。 それらは、周波数安定性とチューニング精度が悪い場合があります。 ソ連の企業は、原則として、機械的高調波で最大20 ... 22 MHz以上の基本周波数を持つ水晶振動子を製造していました。 これは、クォーツプレートの時代遅れの加工技術によるものです。 外国企業は、基本周波数が 35 MHz の水晶を生産しています。 主要な外国企業は、いわゆる逆メサ構造の形で共振器を製造しています。これは、最初の高調波周波数が 250 MHz に達する体積厚させん断振動で動作します。 このような水晶振動子を発振回路に用いると、発振系として分布インダクタンスと容量パラメータを持つ系を用いることで、周波数逓倍なしで750MHzまで安定した発振が得られます！ 著者：O. Belousov、ヴァトゥティーノ、チェルカッスイ地方。 出版物: N. ボルシャコフ、rf.atnn.ru
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