Oscillateurs à quartz sur les harmoniques. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique

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En utilisant les circuits des oscillateurs à quartz (CG) sans boucle de l'auteur [1, 2], il est possible d'obtenir une génération non seulement sur la première harmonique (fondamentale) du quartz, mais également sur sa troisième harmonique. Il est intéressant de noter que dans ces circuits, aussi bien le quartz spécialement conçu pour générer des harmoniques (les soi-disant harmoniques) que les quartz ordinaires fonctionnent à la troisième harmonique.

Cependant, les circuits ci-dessus sont loin d'épuiser la conception des circuits des oscillateurs à quartz harmoniques sans boucle. Un autre circuit de la famille de tels oscillateurs sur un transistor bipolaire est représenté sur la Fig. 1. Un tel CG est plus simple que les schémas de [1, 2].

À première vue, ce circuit est similaire au circuit capacitif « trois points » bien connu, mais il diffère du circuit « classique ». Le générateur manque d'un des condensateurs de rétroaction (entre la base et l'émetteur du transistor) par rapport au circuit KG « classique ».

En plus de réduire le nombre d'éléments, le circuit présente d'autres avantages : le CG « classique » génère exclusivement à la première harmonique du quartz. Dans de nombreuses expériences, l'auteur n'a jamais réussi à obtenir une génération à la troisième harmonique (mécanique). Le circuit représenté sur la figure 1, avec une capacité C3 assez petite (généralement plusieurs dizaines de picofarads), démarre facilement à la troisième harmonique du quartz. Dans le même temps, à mesure que la capacité C3 augmente, le niveau de la tension HF de sortie du CG diminue progressivement (la fréquence des oscillations générées diminue également légèrement de dizaines à centaines de hertz). Avec une nouvelle augmentation de C3, le générateur transitions vers la région des oscillations à double fréquence, puis les oscillations générées « sautent » vers la première harmonique de fréquence. L'amplitude des oscillations générées augmente à nouveau.

Fig. 1

Avec une augmentation encore plus importante de C3, une diminution progressive de l'amplitude des oscillations se produit, accompagnée d'une légère diminution de fréquence, et enfin, avec une capacité de C3 suffisamment grande (par exemple, plusieurs nanofarads pour le quartz à une fréquence de 27 MHz), les oscillations du CG sont perturbées. L’image des phénomènes se produisant dans le CG à mesure que la capacité C3 augmente est présentée sur la Fig. 2.

Fig. 2

L'amplitude de la tension de sortie du CG lors de la génération à la première harmonique (pour le quartz « harmonique ») s'avère supérieure à celle lors de la génération à la troisième harmonique (pour le même quartz). Ainsi, sur la Fig. La figure 2 présente le cas le plus général où le quartz peut générer une génération aux première et troisième harmoniques mécaniques.

Parfois (très rarement) il existe des quartz qui ne se génèrent qu'à la première harmonique. Dans ce cas, sur la Fig. 2, il ne reste qu'un seul pic (celui de droite), et le pic de gauche ainsi que la région des oscillations à deux fréquences disparaissent. Pour observer des « sauts » dans la fréquence du CG lorsque la capacité C3 change, il est nécessaire de connecter un oscilloscope RF et un fréquencemètre au CG via de bons étages tampons (avec une résistance d'entrée supérieure à 10 kOhm et une capacité d'entrée de pas plus de quelques picofarads).

Comme C3, un KPI (12...495 pF) est utilisé, qui est inclus dans le circuit CG soit directement, soit via de petits condensateurs (plusieurs dizaines de picofarads). La connexion du KPI à la carte KG est réalisée avec des fils épais non isolés de la longueur minimale possible.

Cependant, du point de vue de l'utilisation pratique, le schéma présenté sur la Fig. 3. Dans ce cas, les exigences relatives à l'étage tampon sont considérablement réduites. Néanmoins, même lors de l'utilisation d'un tel circuit CG dans le cadre d'un récepteur ou d'un émetteur-récepteur, un étage tampon (au moins le plus simple) reste souhaitable. Il est également nécessaire de stabiliser l'alimentation des circuits CG ci-dessus. Une attention particulière doit être portée aux valeurs des résistances dans les circuits (Fig. 1 et 3) : elles ne peuvent pas être modifiées dans de larges limites. Ainsi, pour le schéma CG selon la Fig. 1 pour une tension d'alimentation de 9...12 V, la condition suivante doit être remplie :

R1=R2=20*R3 ;

R3 = 470...2000 ohms (1)

KG selon fig. 3 à la même tension d'alimentation nécessite les conditions suivantes :

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

R4 = 470.. 2000 Ohms, (2)

ou

R1 = 20*R4 ;

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

R4 = 470...2000 ohms ;

R3 <= 1000 ohms. (3)

Ce n'est que si les conditions (1), (2) ou (3) sont remplies que les circuits CG se comporteront comme décrit ci-dessus.

La sélection des valeurs de résistance de polarisation est effectuée à l'aide des recommandations de [3]. La résistance de sortie du CG (Fig. 3) est presque égale à R3.

Fig. 3

Les cascades de tampons pour de tels CG peuvent être utilisées de la même manière que dans [2]. Cependant, il ne faut jamais oublier que l'étage tampon peut différencier (et dans certains cas intégrer) le signal d'entrée, ce qui entraîne une distorsion de la forme d'onde dans le cas de signaux sinusoïdaux.

Les schémas CG ci-dessus peuvent être recommandés pour une utilisation généralisée dans les conceptions de radioamateur. Selon l’auteur, le diagramme de la Fig. 3, ayant une sortie RF de 50 ohms (avec des valeurs nominales R1=R2=10 kOhm, R3=51 Ohm).

Ces circuits CG sont, selon la classification [5], « deux points », capables de fonctionner aussi bien sur la première que sur la troisième harmonique du quartz. Par exemple, le quartz RK-169 dans le circuit illustré à la Fig. 3 (R3=51 Ohm) généré avec une fréquence de 27411 kHz à C3=51 pF, et avec une fréquence de 9142,42 kHz à C3=330 pF, tandis que la fréquence de 27,41 MHz était indiquée sur le corps en quartz.

Examinons maintenant les générateurs conçus par l'auteur sur la base du prototype - le générateur Pierce, qui est un générateur à couplage capacitif via les condensateurs C2 et C4 (Fig. 4).

Fig. 4

Un résonateur à quartz, lorsqu'il fonctionne dans un oscillateur Pierce, a une réactance inductive, de sorte qu'un tel oscillateur fonctionne dans la plage de fréquences située entre la fréquence de la série fs et la résonance parallèle du quartz fp. Selon [4], le quartz dans ce générateur génère à une fréquence proche de fp, mais dans [6] il est noté que la fréquence de génération est plus proche de fs que de fp. À cet égard, diviser ces CG en générateurs de résonance série et parallèle n'est pas entièrement réussi en raison de la dépendance de la fréquence générée sur les valeurs de réactivité incluses dans le circuit (par exemple, sur la figure 5, il s'agit de C2 et C4).

Fig. 5

En figue. 4, les résistances R1 et R2 forment un diviseur de tension pour créer la tension de polarisation requise pour la base du transistor VT1. Pour obtenir une stabilité à haute température du point de fonctionnement, le circuit DC OOS R3-C3 est utilisé.

Les condensateurs C1 et C3 sont des condensateurs de blocage ; s'ils ont une capacité suffisante, ils n'affectent pas la fréquence du CG. Dans le même temps, les condensateurs C2 et C4 participent directement à la génération des oscillations et leur fréquence dépend de leur capacité. La résistance de réactance (inductive) de l'inductance L1 est très élevée (beaucoup supérieure à la réactance des condensateurs C2, C4 et du quartz ZQ1), donc le rôle de l'inductance L1 dans le circuit Pierce CG se réduit uniquement à la séparation des courants continus et HF . Pour cette raison, L1 peut être remplacé par une autre source de courant (même une résistance). Il convient particulièrement de noter que l'utilisation de telles selfs (notamment avec une valeur élevée du facteur de qualité Q) peut dans certains cas conduire à une excitation du générateur pas du tout aux fréquences du quartz. L'introduction d'un accélérateur réduit la fiabilité du CG, il vaut donc mieux l'abandonner si possible.

Le schéma de fonctionnement du CG est présenté sur la Fig. 5. En choisissant les capacités des condensateurs C2=C3 suffisamment petites, on obtient une génération à la troisième harmonique du quartz. À mesure que ces capacités augmentent, le tableau présenté sur la figure 2 commence à se répéter. XNUMX, et pour des valeurs suffisamment grandes de ces capacités on obtient une génération à la première harmonique du quartz.

Les transistors VT2 et VT3 sont utilisés comme cascade tampon, composée d'émetteurs suiveurs connectés les uns après les autres. Les résistances R3 et R7 sont antiparasitaires et servent à augmenter la stabilité de la cascade tampon. Si l'on accepte que C2 = C3, alors lorsque le CG fonctionne à la troisième harmonique, ces capacités peuvent être déterminées à partir de l'expression

C2 \u3d CXNUMX \uXNUMXd L, (pF)

où L est la longueur d'onde de la troisième harmonique, m.

Pour un fonctionnement fiable à la première harmonique, ces capacités doivent être choisies 3, ou mieux encore 5 fois plus grandes.

En figue. La figure 6 montre un schéma d'une connexion RF à un voltmètre avec une impédance d'entrée élevée, à l'aide de laquelle la tension RF sur le collecteur VT1 a été déterminée à l'aide d'un graphique d'étalonnage (Fig. 5). Le décodeur est connecté à un voltmètre à haute résistance (RBX>1 MOhm) en mode de mesure de tension continue.

Fig. 6

Les données obtenues pour l'un des quartz harmoniques (46,516 MHz) sont présentées dans le tableau 1. Comme le montre le tableau, pour le quartz à une fréquence d'environ 50 MHz, les capacités du circuit imprimé et du transistor lui-même sont suffisantes. Pour le quartz à 27 MHz, la génération à la troisième harmonique n'est pas observée en l'absence de C2 et C3.

Les transistors bipolaires (BT) utilisés pour construire les oscillateurs à quartz (CG) se caractérisent par des capacités assez importantes entre les électrodes (Sbe, CKg, Ske), inhérentes au transistor lui-même. Nous les appellerons capacités internes du transistor. En raison des capacités internes importantes du BT, le fonctionnement du CG sur ces transistors est déterminé non seulement par les capacités des condensateurs, mais également par les capacités internes du BT. Les transistors à effet de champ (FET) hyperfréquences dotés d'une ou deux grilles isolées ont de très petites capacités internes, qui sont d'un ordre de grandeur (voire plus) inférieures aux capacités internes des BT RF. Ainsi, le fonctionnement du CG sur un DC micro-onde sera déterminé principalement uniquement par les capacités des condensateurs, ainsi que par les capacités parasites de l'installation.

Le circuit CG proposé sur le PT (Fig. 7) est basé sur une source suiveuse. Étant donné que les PT micro-ondes avec deux grilles isolées sont actuellement les plus largement utilisés et que pour comparer le fonctionnement du CG sur des transistors bipolaires et à effet de champ, un PT à grille unique est nécessaire, un tel PT est obtenu à partir d'un PT à double grille en connectant ses portes ensemble. Étant donné que les PT micro-ondes utilisés fonctionnent dans la gamme de fréquences allant jusqu'à plusieurs gigahertz, ils sont très sujets à l'auto-excitation (les pistes imprimées sur la carte « fonctionnent » comme une sorte de circuit micro-ondes).

Fig. 7

Pour éliminer l'auto-excitation, l'auteur a utilisé des résistances CMS antiparasitaires à faible résistance, dont la valeur a été sélectionnée expérimentalement (sur la figure 7, il s'agit de R3 et R4). De telles résistances SMD sont soudées aux broches PT, raccourcies à la longueur minimale possible pour l'installation. Pour éliminer le décalage de la fréquence du CG pendant les mesures, une cascade tampon de sources et d'émetteurs suiveurs connectés en série y est connectée. Le schéma complet du CG étudié sur un DC micro-onde est présenté sur la Fig. 8. Cette cascade de tampons a des propriétés nettement meilleures que la cascade de tampons du HF BT (Fig. 5).

Riz. 8 (cliquez pour agrandir)

À première vue, les circuits CG sur BT et PT sont identiques dans leur principe de fonctionnement (les deux circuits sont réalisés sur la base de suiveurs de tension à large bande), mais des expériences ont montré qu'ils se comportent différemment. Dans le CG sur le BT (Fig. 1), avec une certaine (petite) capacité du condensateur dans le circuit émetteur du transistor, la génération se produit au troisième harmonique. À mesure que la capacité du condensateur augmente, la génération se produit toujours à la même harmonique de quartz. Et ce n'est qu'avec une nouvelle augmentation de la capacité du condensateur spécifié que le générateur entre dans la région des oscillations complexes. La zone d'oscillations complexes est généralement observée dans une plage assez étroite de changements de capacité du condensateur (fractions... unités de picofarads). Dans la même région, il y a un pic (maximum) de la tension de sortie. Une augmentation supplémentaire de la capacité du condensateur conduit à la génération de quartz au premier harmonique mécanique.

Dans un CG sur un PT micro-onde, lorsqu'on utilise du quartz à fréquence suffisamment basse (par exemple, avec la première harmonique mécanique d'environ 9 MHz), le changement d'état décrit ci-dessus n'est pas du tout observé, ce qui peut, en première approximation, s'expliquer par les très petites capacités internes du PT.

Pour tester cette hypothèse en utilisant un condensateur spécialement inclus (6,8 pF), indiqué sur la Fig. 7 et 8 comme Szi, la capacité du transistor correspondante a été artificiellement augmentée, ce qui rend le fonctionnement du CG sur le BT et le PT comparable. Les données pour le CG sur le courant continu (fréquence et tension de sortie) sans condensateur sont présentées dans le tableau 2. Dans le tableau La figure 3 montre les données du cas où un condensateur supplémentaire d'une capacité de 6,8 pF a été installé. Dans ce cas, le même quartz (27668 kHz) a été utilisé, ainsi que les résistances R1=R2=20 kOhm. Après avoir installé le condensateur supplémentaire Szi, le CG en question a commencé à se comporter de manière similaire au CG du BT.

Si le CG du PT fonctionne avec du quartz haute fréquence (par exemple, du quartz avec la première harmonique mécanique d'environ 15 MHz), alors la capacité interne du PT lui-même (Szi) est déjà tout à fait suffisante pour le fonctionnement normal du CG. . Les données pour CG avec quartz haute fréquence sont présentées dans le tableau. 4 (à 46,516 MHz). Dans ce cas, R1=R2=20 kOhm.

Dépendance de la fréquence et de la tension de sortie sur la valeur de C3 du tableau. 2 et 3 sont présentés graphiquement sur la Fig. 9 et 10, et du tableau. 4 - sur la fig. onze.

Fig. 9

Fig. 10

Fig. 11

Notes:

1 A C3=20 pf il y a une zone d'oscillations à deux fréquences.

2 Si R1=R2=1 MΩ, la génération n'a lieu qu'à une fréquence de 15,52 MHz

Les transistors du générateur et de l'étage tampon de tous les circuits CG considérés fonctionnent à des niveaux importants de signaux RF et introduisent donc des distorsions non linéaires importantes. En sortie du CG, les harmoniques électriques du signal sont également présentes à un niveau significatif. La fréquence de ces harmoniques est un nombre entier de fois supérieur à la fréquence fondamentale (c'est-à-dire la première harmonique). Lorsque le quartz fonctionne par exemple à une fréquence de 9 MHz, des fréquences de 18, 27, 36, 45 MHz, etc. seront également présentes en sortie CG. Cependant, en règle générale, ces harmoniques supérieures sont d’un ordre de grandeur ou plus faibles que la première harmonique. Les harmoniques mécaniques du quartz ne sont pas exactement un nombre entier de fois supérieurs les unes aux autres. Par conséquent, la fréquence des première et troisième harmoniques mécaniques du quartz différera d’un facteur non égal à trois.

Grâce à cette caractéristique des harmoniques mécaniques du quartz, il est possible de faire la distinction entre les harmoniques mécaniques réelles et les harmoniques électriques. Par exemple, en utilisant les données du tableau 1, nous obtenons le rapport de fréquence

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

La fréquence des résonateurs sur les harmoniques mécaniques est déterminée, d'après [9], par l'expression

fn = n(1 -Yn)*f1, (5)

où fn est la fréquence de la nième harmonique mécanique du quartz, n est le numéro de l'harmonique correspondante (en l'occurrence un entier impair), f1 est la fréquence de la première harmonique mécanique du quartz, Yn est un facteur de correction dépendant de la numéro harmonique. Par exemple, Y3=0,001 [9] Ainsi, l'expression (5) pour la troisième harmonique mécanique prend la forme :

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

où

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

Puisque les valeurs numériques des expressions (4) et (7) coïncident pratiquement, on peut dire que la génération dans le générateur est possible aussi bien sur la première que sur la troisième harmonique mécanique du quartz.

La région des oscillations complexes (Fig. 2) existe dans tous les circuits CG discutés ci-dessus. Elle peut être détectée en connectant un oscilloscope à la sortie CG. Une image complexe s’observe sur l’écran, loin d’une sinusoïde ordinaire. Dans la zone d'oscillations complexes, les oscillations des première et troisième harmoniques mécaniques coexistent. Une augmentation de la capacité du condensateur correspondant (C3) entraîne une diminution de l'amplitude de la troisième harmonique et une augmentation de l'amplitude de la première. .

Dans tous les CG considérés, lors de la génération à la première harmonique mécanique, la tension de sortie s'avère légèrement supérieure à celle lors de la génération à la troisième. Les oscillations avec la fréquence du premier harmonique mécanique sont toujours « plus fortes » que les oscillations avec la fréquence du troisième, par conséquent, la tension de sortie du CG augmente dans la région des oscillations à deux fréquences avec une augmentation de la capacité du « contrôle "Condensateur (C3). L'augmentation de la capacité du condensateur « de contrôle » en dehors de la zone d'oscillations à deux fréquences entraîne au contraire une diminution de la tension de sortie du générateur.

Les différences observées dans le fonctionnement du CG sur le BT et le PT, ainsi que le fonctionnement anormal du CG sur le PT dans le cas de l'utilisation de quartz suffisamment basse fréquence, sont dues à la différence des valeurs de Sbe pour le BT et Szi pour le PT (Sbe"Szi). Si l'on compare Sbe et Szi en connectant une capacité supplémentaire Sdop (Sdop ~= Szi) entre la grille et la source du PT, le CG sur le BT et le PT commencent se comporter à peu près de la même manière. Étant donné que tous les circuits CG discutés ci-dessus fonctionnent à la fois sur les première et troisième harmoniques mécaniques du quartz, un circuit à quartz équivalent peut être utilisé pour l'analyse, illustré sur la figure 12.

Fig. 12

En utilisant un tel circuit à quartz, on peut imaginer le circuit équivalent d'un générateur DC selon la Fig. 13.

Fig. 13

Tous les circuits CG considérés ne contiennent aucun circuit oscillatoire (résonant), à l'exception du quartz lui-même. Cela simplifie grandement la fabrication et le réglage de tels CG harmoniques en sélectionnant principalement uniquement la capacité du condensateur de « contrôle ».

littérature

1. Artemenko V. Oscillateur à cristal sans boucle. - Radio Amateur, 2000, n°8, p.27.
2. Artemenko V. Oscillateur sans boucle harmonique à quartz. - Radiomir KB et VHF, 2002, n°1, pp. 27-29.
3. Horowitz P., Hill W. L'art des circuits. Tome 1.-M. : Mir, 1984.
4. Hablovski I., Skulimowski V. L'électronique en questions et réponses. - M. : Radio et communication, 1984.
5. Belousov O. Oscillateur à quartz à deux points. - Radiomir, 2001, N7, p.33.
6. Mason U. Cristaux piézoélectriques et leurs applications en ultraacoustique. - M. : IL, 1952.
7. Belousov O. Oscillateur à quartz - Radioamator, 2002, n° 6, p.25.
8. Artemenko V. Générateurs RF Barrier basés sur des transistors bipolaires. - Radiohobby, 2000, n°2, p.35.
9. Labutin L. Résonateurs à quartz - Radio. 1975, N3, p. 13-16.

Auteur : V.Artemenko, UT5UDJ, Kiev

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