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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Osciladores de cristal. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Nudos de equipos de radioaficionados. Generadores, heterodinos La inestabilidad relativa de la frecuencia de los autoosciladores, realizados en resonadores en forma de circuitos LC, no suele ser inferior a 10-310 ...-4. La estabilidad de frecuencia del generador depende significativamente del factor de calidad y la estabilidad del sistema oscilatorio. El factor de calidad de un circuito LC no suele ser superior a 200 ... 300. Los transmisores y receptores de radio modernos están sujetos a mayores requisitos de estabilidad de frecuencia. Por lo general, una inestabilidad de frecuencia relativa a largo plazo de al menos 10-610 ...-8, que se puede lograr mediante el uso de resonadores de cuarzo. El factor de calidad de los resonadores de cuarzo es muchas veces mayor que el factor de calidad de los resonadores en circuitos LC y es 10410 ...6. Hay muchos circuitos de osciladores de cuarzo. Por lo tanto, se hizo necesario considerar los esquemas más utilizados en la práctica. El circuito equivalente generalmente aceptado de un resonador de cuarzo se muestra en la Fig. 1. La inductancia dinámica Ls, la capacitancia dinámica Cs y la resistencia de pérdida Rs se deben a la presencia del efecto piezoeléctrico directo e inverso y las propiedades resonantes del elemento piezoeléctrico. La capacitancia en paralelo Cp se debe a la capacitancia entre electrodos del piezoeléctrico, la capacitancia de la caja y el montaje. La frecuencia de resonancia de la rama dinámica se denomina frecuencia de resonancia en serie del resonador de cuarzo Fs.
El factor de calidad de un resonador de cuarzo Q está determinado por la rama dinámica de acuerdo con la fórmula para un circuito oscilatorio en serie Q=(2pFsLs)/Rs La frecuencia de resonancia paralela Fp es algo mayor que Fs, lo que se debe a la resonancia paralela de Cp, Cs y Ls. Un parámetro importante de un resonador de cuarzo es la relación de su paralelo a la capacitancia dinámica, denotada por r y llamada coeficiente capacitivo. r=Cc/Cs Según varias fuentes literarias, el coeficiente capacitivo para el corte AT de cuarzo es 220...250. Considerando que Cs/Cp<0,1, se puede usar una expresión aproximada para la frecuencia de resonancia paralela Fp=Fs(1+(Cs/2Cp)). Para un coeficiente capacitivo r > 25, el intervalo resonante, definido como la diferencia entre las frecuencias de resonancias en paralelo y en serie de un resonador de cuarzo, se puede escribir como dF=Fs/2r. En los armónicos mecánicos de un resonador de cuarzo, el intervalo de resonancia disminuye y está determinado por la expresión dFn=Fs/(2rn2) donde n es el número armónico. El coeficiente capacitivo determina el tamaño de la brecha resonante del resonador, por lo tanto, la desviación de frecuencia del oscilador de cuarzo controlado, la estabilidad de frecuencia cuando cambian los parámetros del circuito, las condiciones para la aparición y mantenimiento de oscilaciones en el circuito del autooscilador de cuarzo. . Para evaluar la capacidad de excitación de un resonador de cuarzo, algunos circuitos de osciladores de cristal utilizan un parámetro llamado factor de calidad. Se define como la relación entre el factor de calidad del resonador y su coeficiente capacitivo m=Q/r. Para los resonadores de cuarzo, los valores de M se encuentran en el rango de 1 a 10000. En M<2, la reactancia del resonador resulta ser positiva (capacitiva) y no tiene una región de reacción inductiva. En consecuencia, la excitación de tal resonador en los circuitos de osciladores de cuarzo que requieren una reacción inductiva se vuelve imposible. Cuando M>2, el resonador tiene un área de reacción inductiva, y cuanto mayor sea el valor de M, más amplia será este área. En la práctica, dos tipos de osciladores de cuarzo son los más utilizados: a) generadores en los que un resonador de cuarzo forma parte de un circuito oscilatorio y es equivalente a una inductancia; b) generadores, en los que el resonador de cuarzo está incluido en el circuito de realimentación, se utiliza como filtro de banda estrecha y es equivalente a una resistencia activa. Los osciladores de cristal, en los que se utiliza un resonador de cuarzo como elemento de un circuito con reacciones inductivas, se denominan oscilador, y los osciladores en los que se incluye un resonador de cuarzo en el circuito de realimentación se denominan generadores de resonancia en serie. El circuito oscilador de un oscilador de cuarzo con cuarzo entre el colector y la base, realizado de acuerdo con el circuito con un emisor conectado a tierra (tres puntos capacitivos) se muestra en la Fig. 2.
En la actualidad, el tres puntos capacitivo es ampliamente utilizado en el rango de frecuencia hasta 22 MHz cuando el resonador opera en la frecuencia fundamental, y hasta 66 MHz cuando se excita en el tercer armónico mecánico (Fig. 3). El autooscilador con un resonador de cuarzo entre el colector y la base en un circuito con un emisor conectado a tierra de alta frecuencia, no es propenso a oscilaciones parásitas en sobretonos anarmónicos, tiene una excelente estabilidad de frecuencia con cambios en el voltaje de suministro y temperatura ambiente.
La influencia de los cambios en los parámetros reactivos del transistor, dependiendo de la tensión de alimentación y el tiempo, se debilita al aumentar las capacitancias C1, C3 (Fig.2), es decir. a medida que la frecuencia de funcionamiento del autooscilador se aproxima a Fg. Sin embargo, un aumento excesivo de la capacitancia conduce a un deterioro de las condiciones de autoexcitación. Por otro lado, al aumentar las capacitancias, aumenta la potencia disipada en el resonador, lo que conduce a un aumento de la inestabilidad de la frecuencia generada. Según las condiciones técnicas, la potencia disipada en cuarzo está limitada a 1...2 mW. Sin embargo, en el rango de frecuencia de 1...22 MHz con tal potencia disipada, la frecuencia de la resonancia en serie depende de la potencia disipada, y el coeficiente de proporcionalidad es (0,5...2) •10-9 Hz/μW, por lo tanto , para generadores altamente estables, la potencia disipada en el resonador debe limitarse a 0,1...0,2 mW. En la práctica, se recomienda elegir las capacidades C1, C3 para que la frecuencia de generación no sea más de una cuarta parte del intervalo resonante de Fs. Cuando el resonador de cuarzo se excita con los impares armónicos mecánicos del cuarzo, en lugar de la resistencia R3, se enciende un inductor Lk (Fig. 3). A la frecuencia de generación, el circuito Lk-C4 debe tener una capacitancia, es decir su frecuencia de resonancia debe estar por debajo de la frecuencia de generación. Los parámetros del circuito deben elegirse de modo que su frecuencia natural sea 0,7 ... 0,8 de la frecuencia de generación. Como resultado, el circuito tiene conducción capacitiva a la frecuencia del armónico requerido, lo que elimina la posibilidad de generación a armónicos más bajos y la frecuencia fundamental. En los generadores de osciladores que funcionan a frecuencias superiores a 22 MHz, el resonador suele excitarse en el tercer o quinto armónico, pero no en los más altos, ya que el efecto de la capacitancia en paralelo es fuerte. Más a menudo de lo que se muestra en la Fig. 3, se usa un circuito capacitivo de tres puntos de un oscilador de cuarzo con un resonador de cuarzo entre el colector y la base en el circuito para encender un transistor con un colector conectado a tierra (Fig. 5). Este circuito es especialmente útil para osciladores sintonizables electrónicamente (cuando se conectan en serie con el cuarzo varicap) y tiene menos elementos de bloqueo que el circuito emisor conectado a tierra. Muchos especialistas en el campo de los osciladores de cuarzo consideran que el circuito capacitivo de tres puntos es el mejor de todos los circuitos de osciladores de cristal que operan en el armónico mecánico fundamental o tercero del resonador. Cabe señalar que existe un circuito capacitivo de tres puntos que no contiene inductancia, que se excita en los armónicos 2 y 4.
Auto-oscilador con cuarzo en el circuito. Si el inductor L4 está conectado en serie con cuarzo en el circuito de la Fig. 1, esto conducirá a la aparición de nuevas propiedades, es decir. en el generador (Fig. 5), son posibles autooscilaciones que no están estabilizadas por un resonador de cuarzo.
A altas frecuencias, donde la reactancia de la capacitancia paralela del resonador es menor que la reactancia de la rama dinámica del resonador de cuarzo, es posible la autoexcitación a través de la capacitancia paralela Cp. La presencia de la inductancia L1 significa que es posible realizar el equilibrio de fase en la frecuencia de resonancia en serie, así como en una determinada región de desafinación por debajo de la frecuencia de resonancia en serie. La inductancia L1 asegura el equilibrio de fases en condiciones donde M<2 y la reactancia equivalente del cuarzo no puede ser inductiva. Esto significa que un generador con cuarzo en el circuito puede funcionar a frecuencias más altas y a un mayor número de armónicos mecánicos del resonador de cuarzo. Para excluir la autoexcitación parásita a través de una capacitancia en paralelo Cp, que es muy probable a altas frecuencias y armónicos mecánicos más altos, se conecta una resistencia R1 en paralelo con el resonador, lo que introduce pérdidas en el circuito de autoexcitación parásita. Es posible reducir los requisitos para la actividad de un resonador de cuarzo en armónicos mecánicos utilizando circuitos generadores de resonancia en serie. Dado que con un aumento en la frecuencia y el número armónico, la actividad del resonador de cuarzo disminuye debido al aumento en su resistencia equivalente y al aumento en el efecto de derivación de la capacitancia estática (paralela) Ср, es necesario neutralizar o compensar eso. La neutralización se puede realizar en un circuito puente, donde se coloca cuarzo en uno de los brazos de un puente balanceado. Puente autooscilador de resonancia en serie. En el circuito que se muestra en la Fig. 6, con el equilibrio exacto del puente (Cp=C2, XL1-2=XL2-3), la retroalimentación se realiza solo a través de la rama dinámica del resonador. En el armónico mecánico del resonador de cuarzo, la conductividad de la rama en serie del resonador aumenta bruscamente, el puente se desequilibra y, con una elección adecuada de los elementos del circuito, el generador se excita. El lazo L1-C3 debe estar sintonizado a la frecuencia armónica deseada.
En este esquema, es posible excitar resonadores de cuarzo en los armónicos 5 o 7. Los esquemas con neutralización de la capacitancia estática del resonador son muy críticos para el modo de operación y difíciles de ajustar, aunque pueden usarse en frecuencias de hasta 100 MHz. El límite superior de frecuencia del oscilador con neutralización se debe a la dificultad de obtener una gran resistencia de bucle equivalente al aumentar la frecuencia, ya que la capacitancia inicial del bucle no puede hacerse pequeña debido a las capacitancias parásitas. El esquema Butler (Fig. 7) se caracteriza por la mayor resistencia a los factores desestabilizadores en el rango de hasta 100 MHz. El límite superior de las frecuencias generadas se debe al deterioro de las propiedades del seguidor de emisor. En el circuito de Butler, se incluye un resonador de cuarzo en el circuito de retroalimentación entre los emisores de los transistores. El transistor VT1 está conectado de acuerdo con el esquema con un colector común y el transistor VT2, con una base común. La desventaja de este circuito es la tendencia a la autoexcitación parásita debido a la conexión de la salida con la entrada a través de una capacitancia de cuarzo en paralelo Cp. Para eliminar este fenómeno, se conecta un inductor en paralelo al cuarzo, formando, junto con la capacitancia en paralelo del cuarzo, un circuito resonante sintonizado a la frecuencia de la oscilación parásita.
Autogenerador según circuito Butler sobre un transistor con compensación Av. A frecuencias de hasta 300 MHz, es aconsejable utilizar circuitos de filtro de una sola etapa, por ejemplo, un circuito de filtro con una base común (Fig. 8). Esencialmente, un autooscilador de este tipo es un amplificador de una sola etapa en el que el circuito está conectado al emisor de un transistor bipolar a través de un resonador de cuarzo que actúa como un filtro de banda estrecha. El circuito formado por la capacitancia de cuarzo Cp en paralelo y la bobina L2 se sintoniza a la frecuencia del armónico utilizado. A medida que aumenta la frecuencia de funcionamiento, aumentan las conductancias equivalentes del transistor, es decir empeora el cumplimiento de las condiciones de autoexcitación. Sin embargo, a pesar de esto, las condiciones de autoexcitación de este autooscilador a altas frecuencias son más fáciles de cumplir que las de los autoosciladores con cuarzo entre el colector y la base y cuarzo en el circuito, lo que determina su ventaja.
En conclusión, cabe señalar que los circuitos de osciladores de cuarzo considerados no agotan toda la variedad de circuitos de osciladores estabilizados por un resonador de cuarzo, y la elección de un circuito está influenciada decisivamente por la presencia de resonadores de cuarzo con los parámetros equivalentes necesarios, requisitos de potencia de salida, potencia disipada en el resonador, frecuencias de estabilidad a largo plazo, etc. Un poco sobre resonadores. Al elegir un resonador para el generador, se debe prestar especial atención al factor de calidad del resonador: cuanto mayor sea, más estable será la frecuencia. Los resonadores de vacío tienen el factor de calidad más alto. Pero cuanto mejor es el resonador, más caro es. A menudo hay resonadores con un alto nivel de resonancias laterales. En la URSS, además de los resonadores de cuarzo, se producían resonadores de niobato de litio (marcado como PH o RM), tantalato de litio (marcado como RT) y de otros piezoeléctricos. Dado que los parámetros equivalentes de tales resonadores difieren de los de los resonadores de cuarzo, es posible que no funcionen en circuitos en los que el cuarzo funcione perfectamente, aunque la frecuencia marcada en la caja puede ser la misma. Pueden tener peor estabilidad de frecuencia y precisión de sintonización. Las empresas de la URSS, por regla general, producían resonadores de cuarzo con una frecuencia fundamental de hasta 20 ... 22 MHz y más, en armónicos mecánicos. Esto se debe a la tecnología de procesamiento obsoleta de las placas de cuarzo. Las empresas extranjeras producen cuarzo con una frecuencia fundamental de 35 MHz. Las principales empresas extranjeras producen resonadores en forma de la llamada estructura de mesa inversa, que funcionan con vibraciones masivas de espesor de corte, ¡en las que la frecuencia del primer armónico alcanza los 250 MHz! ¡Usando tales resonadores de cuarzo en circuitos osciladores, en los que se utilizan sistemas con parámetros de inductancia y capacitancia distribuidos como sistemas oscilatorios, es posible obtener oscilaciones altamente estables hasta una frecuencia de 750 MHz sin multiplicación de frecuencia! Autor: O. Belousov, Vatutino, región de Cherkasy; Publicación: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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