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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Générateurs à quartz. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Noeuds d'équipement de radio amateur. Générateurs, hétérodynes L'instabilité relative de la fréquence des auto-oscillateurs, réalisée sur des résonateurs sous forme de circuits LC, n'est généralement pas inférieure à 10-310 ...-4. La stabilité de fréquence du générateur dépend de manière significative du facteur de qualité et de la stabilité du système oscillatoire. Le facteur de qualité d'un circuit LC n'est généralement pas supérieur à 200 ... 300. Les émetteurs et récepteurs radio modernes sont soumis à des exigences plus élevées en matière de stabilité de fréquence. Habituellement, une instabilité de fréquence relative à long terme d'au moins 10-610 ...-8, ce qui peut être réalisé en utilisant des résonateurs à quartz. Le facteur de qualité des résonateurs à quartz est plusieurs fois supérieur au facteur de qualité des résonateurs sur les circuits LC et est de 10410 ...6. Il existe de nombreux circuits d'oscillateurs à quartz. Par conséquent, il est devenu nécessaire de considérer les schémas les plus couramment utilisés dans la pratique. Le circuit équivalent généralement accepté d'un résonateur à quartz est illustré à la Fig. 1. L'inductance dynamique Ls, la capacité dynamique Cs et la résistance de perte Rs sont dues à la présence d'un effet piézoélectrique direct et inverse et des propriétés de résonance de l'élément piézoélectrique. La capacité parallèle Cp est due à la capacité interélectrodes du piézoélectrique, à la capacité du boîtier et du montage. La fréquence de résonance de la branche dynamique est appelée fréquence de résonance série du résonateur à quartz Fs.
Le facteur de qualité d'un résonateur à quartz Q est déterminé par la branche dynamique conformément à la formule d'un circuit oscillant série Q=(2pFsLs)/Rs La fréquence de la résonance parallèle Fp est quelque peu supérieure à Fs, ce qui est dû à la résonance parallèle de Cp, Cs et Ls. Un paramètre important d'un résonateur à quartz est le rapport de sa parallèle à sa capacité dynamique, noté r et appelé coefficient capacitif r=Cc/Cs Selon diverses sources littéraires, le coefficient capacitif pour la coupe AT du quartz est de 220...250. Considérant que Cs/Cp<0,1, on peut utiliser une expression approchée pour la fréquence de résonance parallèle Fp=Fs(1+(Cs/2Cp)). Pour un coefficient capacitif r > 25, l'intervalle de résonance, défini comme la différence entre les fréquences des résonances parallèle et série d'un résonateur à quartz, peut s'écrire dF = Fs/2r. Aux harmoniques mécaniques d'un résonateur à quartz, l'intervalle de résonance diminue et est déterminé par l'expression dFn=Fs/(2rn2) où n est le nombre d'harmoniques. Le coefficient capacitif détermine la taille de l'entrefer de résonance du résonateur, par conséquent, l'écart de fréquence de l'oscillateur à quartz contrôlé, la stabilité de fréquence lorsque les paramètres du circuit changent, les conditions d'apparition et de maintien des oscillations dans le circuit auto-oscillateur à quartz . Pour évaluer la capacité d'un résonateur à quartz à être excité, certains circuits oscillateurs à cristal utilisent un paramètre appelé facteur de qualité. Il est défini comme le rapport du facteur de qualité du résonateur à son coefficient capacitif m=Q/r. Pour les résonateurs à quartz, les valeurs de M sont comprises entre 1 et 10000. À M<2, la réactance du résonateur s'avère positive (capacitive) et n'a pas de région de réaction inductive. Par conséquent, l'excitation d'un tel résonateur dans les circuits d'oscillateurs à quartz nécessitant une réaction inductive devient impossible. Lorsque M>2, le résonateur a une zone de réaction inductive, et plus la valeur de M est grande, plus cette zone est large. En pratique, deux types d'oscillateurs à quartz sont les plus largement utilisés : a) générateurs dans lesquels un résonateur à quartz fait partie d'un circuit oscillant et équivaut à une inductance ; b) les générateurs, dans lesquels le résonateur à quartz est inclus dans le circuit de rétroaction, est utilisé comme filtre à bande étroite et équivaut à une résistance active. Les oscillateurs à quartz, dans lesquels un résonateur à quartz est utilisé comme élément d'un circuit à réactions inductives, sont appelés oscillateur, et les oscillateurs dans lesquels un résonateur à quartz est inclus dans le circuit de rétroaction sont appelés générateurs de résonance série. Le circuit oscillateur d'un oscillateur à quartz avec quartz entre le collecteur et la base, réalisé selon le circuit avec un émetteur mis à la terre (capacitif à trois points) est illustré à la Fig. 2.
À l'heure actuelle, le trois points capacitif est largement utilisé dans la gamme de fréquences jusqu'à 22 MHz lorsque le résonateur fonctionne à la fréquence fondamentale, et jusqu'à 66 MHz lorsqu'il est excité à la troisième harmonique mécanique (Fig. 3). L'auto-oscillateur avec un résonateur à quartz entre le collecteur et la base dans un circuit avec un émetteur mis à la terre haute fréquence, n'est pas sujet aux oscillations parasites sur les harmoniques anharmoniques, a une excellente stabilité de fréquence avec les changements de tension d'alimentation et de température ambiante.
L'influence des modifications des paramètres réactifs du transistor, en fonction de la tension d'alimentation et du temps, s'affaiblit avec une augmentation des capacités C1, C3 (Fig. 2), c'est-à-dire lorsque la fréquence de fonctionnement de l'oscillateur se rapproche de Fg. Cependant, une augmentation excessive de la capacité conduit à une détérioration des conditions d'auto-excitation. En revanche, avec une augmentation des capacités, la puissance dissipée dans le résonateur augmente, ce qui conduit à une augmentation de l'instabilité de la fréquence générée. Selon les spécifications, la puissance dissipée sur le quartz est limitée à 1 ... 2 mW. Cependant, dans la gamme de fréquences de 1 ... 22 MHz avec une telle puissance dissipée, la fréquence de résonance série dépend de la puissance dissipée et le facteur de proportionnalité est (0,5 ... 2) • 10-9 Hz / μW, par conséquent, pour les générateurs très stables, la puissance dissipée par le résonateur doit être limitée à 0,1 ... 0,2 mW. En pratique, il est recommandé de choisir les capacités C1, C3 de manière à ce que la fréquence de génération ne soit pas supérieure au quart de l'intervalle de résonance de Fs. Lorsque le résonateur à quartz est excité aux harmoniques mécaniques impaires du quartz, au lieu de la résistance R3, une inductance Lk est activée (Fig. 3). A la fréquence de génération, le circuit Lk-C4 doit avoir une capacité, c'est-à-dire sa fréquence de résonance doit être inférieure à la fréquence de génération. Les paramètres du circuit doivent être choisis de sorte que sa fréquence naturelle soit de 0,7 ... 0,8 de la fréquence de génération. En conséquence, le circuit a une conduction capacitive à la fréquence de l'harmonique requise, ce qui élimine la possibilité de génération à des harmoniques inférieurs et à la fréquence fondamentale. Dans les générateurs d'oscillateurs fonctionnant à des fréquences supérieures à 22 MHz, le résonateur est généralement excité à la 3e ou à la 5e harmonique, mais pas aux plus élevées, car l'effet de la capacité parallèle est fort. Plus souvent que sur la Fig. 2, un circuit capacitif à trois points d'un oscillateur à quartz avec un résonateur à quartz entre le collecteur et la base est utilisé dans le circuit pour allumer un transistor avec un collecteur mis à la terre (Fig. 4). Ce circuit est particulièrement utile pour les oscillateurs accordables électroniquement (lorsqu'ils sont connectés en série avec le quartz varicap), et a moins d'éléments de blocage que le circuit émetteur mis à la terre. De nombreux experts dans le domaine des oscillateurs à cristal considèrent que le trois points capacitif est le meilleur de tous les circuits d'oscillateur à cristal fonctionnant sur la fondamentale ou la 3e harmonique mécanique du résonateur. Il convient de noter qu'il existe un circuit capacitif à trois points qui ne contient pas d'inductance, qui est excité aux 3e et 5e harmoniques.
Auto-oscillateur avec quartz dans le circuit. Si l'inductance L4 est connectée en série avec du quartz dans le circuit de la Fig. 1, cela entraînera l'apparition de nouvelles propriétés, c'est-à-dire dans le générateur (Fig. 5), des auto-oscillations sont possibles qui ne sont pas stabilisées par un résonateur à quartz.
Aux hautes fréquences, où la réactance de la capacité parallèle du résonateur est inférieure à la réactance de la branche dynamique du résonateur à quartz, une auto-excitation à travers la capacité parallèle Cp est possible. La présence de l'inductance L1 signifie la possibilité d'effectuer un équilibre de phase à la fréquence de la résonance série, ainsi que dans une certaine zone de désaccords en dessous de la fréquence de la résonance série. L'inductance L1 assure la mise en oeuvre de l'équilibre de phase dans des conditions où M<2, et la réactance équivalente du quartz ne peut pas être inductive. Cela signifie qu'un oscillateur avec un quartz dans le circuit peut fonctionner à des fréquences plus élevées et à un nombre plus élevé d'harmoniques mécaniques d'un résonateur à quartz. Pour exclure l'auto-excitation parasite à travers une capacité parallèle Cp, qui est très probablement à des fréquences élevées et des harmoniques mécaniques plus élevés, une résistance R1 est connectée en parallèle avec le résonateur, ce qui introduit des pertes dans le circuit d'auto-excitation parasite. Il est possible de réduire les exigences d'activité d'un résonateur à quartz aux harmoniques mécaniques en utilisant des circuits générateurs de résonance en série. Étant donné qu'avec une augmentation de la fréquence et du nombre d'harmoniques, l'activité du résonateur à quartz diminue en raison d'une augmentation de sa résistance équivalente et d'une augmentation de l'effet de shunt de la capacité statique (parallèle) Ср, il est nécessaire de neutraliser ou de compenser ce. La neutralisation peut être effectuée dans un circuit en pont, où le quartz est placé dans l'un des bras d'un pont équilibré. Pont auto-oscillateur de résonance série. Dans le circuit représenté sur la figure 6, avec l'équilibre exact du pont (Cp = C2, XL1-2 = XL2-3), la rétroaction s'effectue uniquement via la branche dynamique du résonateur. À l'harmonique mécanique du résonateur à quartz, la conductivité de la branche série du résonateur augmente fortement, le pont est déséquilibré et, avec un choix approprié d'éléments de circuit, le générateur est excité. La boucle L1-C3 doit être réglée sur la fréquence harmonique souhaitée.
Dans ce schéma, il est possible d'exciter des résonateurs à quartz aux 5e ou 7e harmoniques. Les schémas avec neutralisation de la capacité statique du résonateur sont très critiques pour le mode de fonctionnement et difficiles à régler, bien qu'ils puissent être utilisés à des fréquences allant jusqu'à 100 MHz. La limite supérieure de fréquence de l'oscillateur à neutralisation est due à la difficulté d'obtenir une grande résistance de boucle équivalente avec une fréquence croissante, car la capacité initiale de la boucle ne peut pas être réduite à cause des capacités parasites. Le schéma Butler (Fig. 7) se caractérise par la plus grande résistance aux facteurs déstabilisants dans la plage allant jusqu'à 100 MHz. La limite supérieure des fréquences générées est due à la détérioration des propriétés de l'émetteur suiveur. Dans le circuit Butler, un résonateur à quartz est inclus dans le circuit de rétroaction entre les émetteurs des transistors. Le transistor VT1 est connecté selon le schéma avec un collecteur commun et le transistor VT2 - avec une base commune. L'inconvénient de ce circuit est la tendance à l'auto-excitation parasite due à la connexion de la sortie avec l'entrée par l'intermédiaire d'une capacité à quartz parallèle Cp. Pour éliminer ce phénomène, une inductance est connectée en parallèle au quartz, formant, avec la capacité parallèle du quartz, un circuit résonnant accordé sur la fréquence de l'oscillation parasite.
Auto-oscillateur selon le schéma de Butler sur un transistor avec compensation Moy. À des fréquences allant jusqu'à 300 MHz, il est conseillé d'utiliser des circuits de filtrage à un étage, par exemple un circuit de filtrage à base commune (Fig. 8). Essentiellement, un tel oscillateur est un amplificateur à un étage dans lequel le circuit est connecté à l'émetteur d'un transistor bipolaire via un résonateur à quartz, qui agit comme un filtre à bande étroite. Le circuit formé par la capacité à quartz parallèle Cp et la bobine L2 est accordé sur la fréquence de l'harmonique utilisée. Avec une augmentation de la fréquence de fonctionnement, les conductivités équivalentes du transistor augmentent, c'est-à-dire la satisfaction des conditions d'auto-excitation se détériore. Cependant, malgré cela, les conditions d'auto-excitation de cet oscillateur aux hautes fréquences sont plus facilement remplies que des oscillateurs à quartz entre le collecteur et la base et à quartz dans le circuit, ce qui en détermine l'intérêt.
En conclusion, il convient de noter que les circuits d'oscillateurs à quartz considérés n'épuisent pas toute la variété des circuits oscillateurs stabilisés par un résonateur à quartz, et le choix d'un circuit est influencé de manière décisive par la présence de résonateurs à quartz avec les paramètres équivalents nécessaires, exigences de puissance de sortie, puissance dissipée dans le résonateur, fréquences de stabilité à long terme, etc. Un peu sur les résonateurs. Lors du choix d'un résonateur pour le générateur, une attention particulière doit être portée au facteur de qualité du résonateur - plus il est élevé, plus la fréquence est stable. Les résonateurs à vide ont le facteur de qualité le plus élevé. Mais plus le résonateur est bon, plus il est cher. Il existe souvent des résonateurs avec un niveau élevé de résonances latérales. En URSS, en plus des résonateurs à quartz, des résonateurs ont été produits à partir de niobate de lithium (marqué RN ou RM), de tantalate de lithium (marqué RT) et d'autres piézoélectriques. Comme les paramètres équivalents de tels résonateurs diffèrent de ceux des résonateurs à quartz, ils ne peuvent pas être pilotés dans des circuits dans lesquels le quartz fonctionne parfaitement, bien que la fréquence marquée sur le boîtier puisse être la même. Ils peuvent avoir une stabilité de fréquence et une précision de réglage moins bonnes. En règle générale, les entreprises de l'URSS produisaient des résonateurs à quartz avec une fréquence fondamentale allant jusqu'à 20 ... 22 MHz et plus - sur les harmoniques mécaniques. Cela est dû à la technologie de traitement obsolète des plaques de quartz. Les entreprises étrangères produisent du quartz avec une fréquence fondamentale de 35 MHz. Les principales entreprises étrangères produisent des résonateurs sous la forme d'une structure mésa dite inverse, fonctionnant sur des vibrations de cisaillement d'épaisseur volumétrique, dans lesquelles la première fréquence harmonique atteint 250 MHz! En utilisant de tels résonateurs à quartz dans des circuits oscillateurs, dans lesquels des systèmes avec des paramètres d'inductance et de capacité distribués sont utilisés comme systèmes oscillants, il est possible d'obtenir des oscillations très stables jusqu'à une fréquence de 750 MHz sans multiplication de fréquence ! Auteur : O. Belousov, Vatoutino, région de Tcherkassy ; Publication : N. Bolchakov, rf.atnn.ru
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