Tìm hiểu Mạch Dao động Tinh thể

Các cấu hình mạch dao động tinh thể trạng thái rắn cơ bản ngày nay đã phát triển hơn, hầu như tất cả các mạch đều là sửa đổi của các hệ thống ống chân không được công nhận rộng rãi như bộ tạo dao động Pierce, Hartley, Clapp và Butler và hoạt động với cả thiết bị lưỡng cực và FET.

Mặc dù tất cả các mạch này về cơ bản đều đáp ứng được mục tiêu được thiết kế của chúng, nhưng có rất nhiều ứng dụng yêu cầu một cái gì đó hoàn toàn khác hoặc khi chức năng yêu cầu được mô tả chính xác.

Danh sách dưới đây là một loạt các mạch, cho nhiều ứng dụng khác nhau ngay từ LF đến dải VHF, những mạch này thường không được thấy trong sách hoặc sách sử dụng nghiệp dư hiện có.

Các kỹ thuật mạch dao động tinh thể trạng thái rắn cơ bản đến nay đã được thiết lập tốt, hầu hết các mạch là sự thích nghi của công nghệ ống chân không nổi tiếng như bộ tạo dao động Pierce, Hartley, Clapp và Butler và sử dụng cả thiết bị lưỡng cực và FET.

Trong khi các mạch này về cơ bản đáp ứng được mục đích dự kiến ​​của chúng, có nhiều ứng dụng yêu cầu một cái gì đó khác biệt hoặc nơi hiệu suất cần được đặc trưng một cách đáng tin cậy.

Trình bày ở đây là một loạt các mạch, cho một loạt các ứng dụng từ LF đến dải VHF, không thường thấy trong tài liệu hoặc sử dụng nghiệp dư hiện nay.

PHƯƠNG THỨC HOẠT ĐÔNG

Một điểm hiếm khi được coi trọng, hoặc đơn giản là bị bỏ qua, là thực tế là các tinh thể thạch anh có thể dao động ở chế độ cộng hưởng song song và chế độ cộng hưởng nối tiếp. Hai tần số được tách ra với một sự khác biệt nhỏ, thường là 2-15 kHz trên dải tần.

Tần số cộng hưởng nối tiếp có tần số nhỏ hơn so với song song.

Một tinh thể cụ thể được thiết kế để sử dụng ở chế độ song song có thể được áp dụng thích hợp trong mạch cộng hưởng nối tiếp nếu tụ điện có độ lớn tương đương với điện dung tải chính xác của nó (thường là 20,30, 50 hoặc 100 pF) được mắc nối tiếp với tinh thể.

Thật không may, không thể đảo ngược nhiệm vụ cho tinh thể cộng hưởng nối tiếp trong các mạch chế độ song song. Tinh thể chế độ nối tiếp có thể sẽ dao động vượt quá tần số đã hiệu chỉnh trong tình huống của nó và có thể không khả thi để tải nó xuống đủ dung lượng.

Các tinh thể overtone thường chạy ở chế độ chuỗi trên âm bội thứ ba, thứ năm hoặc thứ bảy, và nhà sản xuất thường hiệu chỉnh tinh thể ở tần số âm bội.

Chạy một tinh thể ở chế độ song song và nhân tần số lên 3 hoặc 5 lần sẽ tạo ra một kết quả khá mới bằng cách vận hành chính xác cùng một tinh thể trong chế độ chuỗi trên âm bội thứ 3 hoặc thứ 5 của nó.

Trong khi mua các tinh thể âm bội, hãy tránh xa tình trạng tiến thoái lưỡng nan và xác định tần số bạn muốn, thay vì tần số cơ bản rõ ràng.

Các tinh thể cơ bản trong phạm vi 500 kHz đến 20 MHz thường được chế tạo để hoạt động ở chế độ song song tuy nhiên có thể yêu cầu hoạt động của chế độ nối tiếp.

Đối với các tinh thể tần số thấp lên đến 1 MHz, có thể chọn một trong hai chế độ. Các tinh thể overtone thường bao phủ dải từ 15 MHz đến 150 MHz.

RỘNG RÃI hoặc CÁC TẦM NHÌN KHOẢNG CÁCH APERIODIC

Bộ tạo dao động không bao giờ sử dụng mạch điều chỉnh thường rất hữu ích, cho dù là 'bộ kiểm tra tinh thể' hay bất kỳ lý do nào khác. Đặc biệt đối với tinh thể LF, các mạch điều chỉnh có thể khá lớn.

Mặt khác, chúng thường không phải là không có bẫy của riêng chúng. Một số tinh thể dễ bị dao động ở các chế độ không mong muốn, đặc biệt là các tinh thể cắt DT và CT dành cho bộ tạo dao động thạch anh LF.

Thực sự là một ý kiến ​​hay để đảm bảo rằng đầu ra ở tần số thích hợp và không có hiện tượng 'mất ổn định chế độ'. Giảm thiểu phản hồi ở tần số cao hơn thường giải quyết được vấn đề này.

Trong những trường hợp đặc biệt, lý thuyết trên có thể bị lãng quên và một bộ dao động có mạch điều chỉnh được áp dụng như một giải pháp thay thế, (bộ dao động tinh thể LF được xem xét sau đó).

Mạch tinh thể

Mạch đầu tiên dưới đây là một bộ dao động kết hợp cực phát, một biến thể của mạch Butler. Đầu ra của mạch trong Hình 1 về cơ bản là sóng sin làm giảm điện trở phát của Q2 làm tăng đầu ra hài.

Kết quả là, một tinh thể 100 kHz tạo ra sóng hài tuyệt vời thông qua 30 MHz. Nó là một mạch chế độ nối tiếp.

Một loạt các bóng bán dẫn có thể được sử dụng. Đối với các tinh thể trên 3 MHz, nên sử dụng các bóng bán dẫn có băng thông khuếch đại cao. Đối với các tinh thể nằm trong phân loại 50 kHz đến 500 kHz, các bóng bán dẫn có độ lợi LF cao, như 2N3565 được ưu tiên.

Ngoài ra, đối với các tinh thể trong phạm vi lựa chọn này, mức tiêu tán cho phép thường thấp hơn 100 microwatts và hạn chế biên độ có thể là điều cần thiết.

Đề xuất giảm điện áp nguồn cung cấp trong bước khởi động hiệu quả. Thay đổi mạch thông qua việc bao gồm các điốt như thể hiện trong Hình 3 là một kỹ thuật có lợi hơn và hiệu suất khởi động được nâng cao.

Mạch sẽ dao động ở mức cao tới 10 MHz sử dụng các bóng bán dẫn và giá trị điện trở bộ phát phù hợp. Người theo dõi emitter hoặc bộ đệm theo dõi nguồn thường được khuyến nghị.

Nhận xét giống hệt nhau ở trên kết nối với Hình 2. Một bộ đệm theo bộ phát được kết hợp trong mạch này.

Hai mạch hơi nhạy cảm với tần số và các biến thể điện áp nguồn và thông số kỹ thuật tải. Khuyến nghị tải trọng từ 1 k trở lên.

TTL lC có thể được kết hợp với các mạch dao động tinh thể mặc dù rất nhiều mạch đã xuất bản có hiệu suất khởi động khủng khiếp hoặc trải nghiệm tính không lặp lại do các tham số lớn trong lC's ,.

Mạch trong hình 4. đã được tác giả thử nghiệm trên dải tần 1 MHz đến 18MHz và sẽ được khuyến khích. Đây là một bộ dao động chế độ loạt và khen ngợi các tinh thể cắt AT.

Đầu ra là xung quanh đỉnh 3 V đến đỉnh, sóng vuông lên đến khoảng 5 MHz trên đó biến thành xung gần giống với xung nửa sin hơn. Hiệu quả khởi động là tuyệt vời, dường như là một yếu tố quan trọng nhất đối với bộ tạo dao động TTL.

TẦN SỐ TẦN SỐ THẤP

Các tinh thể trong phạm vi 50 kHz đến 500 kHz yêu cầu các yếu tố đặc biệt không được phát hiện trong các tinh thể HF cắt AT hoặc BT phổ biến hơn.

Điện trở dòng tương tự lớn hơn rất nhiều và mức tiêu tán cho phép của chúng bị hạn chế dưới 100 microwatts, lý tưởng là 50 microwatts hoặc thấp hơn.

Mạch trong hình 5 là một bộ dao động chế độ nối tiếp. Nó mang lại lợi ích là không cần mạch điều chỉnh và có sự lựa chọn đầu ra hình sin hoặc sóng vuông. Đối với các tinh thể nằm trong dải phổ 50-150 kHz, các bóng bán dẫn 2N3565 được khuyên dùng mặc dù nhà xuất bản thấy BC107 là hợp lý.

Cả hai loại đều có thể phù hợp cho các tinh thể trong dải tần từ 150 kHz đến 500 kHz. Nếu bạn nghĩ rằng tinh thể bao gồm một điện trở loạt tương đương lớn, thì bạn có thể tăng giá trị của R1 lên 270 ohms và R2 lên 3,3 k.

Đối với các phép toán sóng vuông, C1 là 1 uF (hoặc có thể là độ lớn cùng với hoặc lớn hơn nó). Đối với đầu ra sóng sin, C1 không có trong mạch.

Kiểm soát biên độ là không cần thiết. Đầu ra sóng hình sin xấp xỉ 1 V rms, đầu ra miễn trừ hình vuông xung quanh đỉnh 4 V đến đỉnh.

Mạch trong Hình 6 thực sự là một kiểu sửa đổi của bộ dao động Colpitts, với việc bao gồm điện trở Rf để điều chỉnh phản hồi. Các tụ điện C1 và C2 phải được giảm thiểu theo độ lớn được tính toán khi tần số được tăng lên.

Ở 500 kHz, các giá trị cho C1 và C2 phải tương ứng là khoảng 100 pF và 1500 pF. Mạch như đã được chứng minh cung cấp đầu ra sóng sin sử dụng hài thứ hai thấp hơn khoảng 40 dB (hoặc cao hơn).

Điều này thường được giảm thiểu thông qua việc tinh chỉnh Rf và C1. Hãy nhớ rằng, ở mức giảm, phản hồi là điều cần thiết để thực hiện điều này, cần khoảng 20 giây để bộ dao động đạt được đầu ra đầy đủ.

Đầu ra là khoảng 2 đến 3 volt đỉnh đến đỉnh. Khi bạn cần một đầu ra được tải với các sóng hài, việc dễ dàng bao gồm một tụ điện 0,1 uF trên điện trở bộ phát sẽ thực hiện được điều đó. Sản lượng sau đó tăng lên khoảng 5 V đỉnh đến đỉnh.

Điện áp nguồn có thể được giảm trong những trường hợp như vậy để giảm sự tiêu tán tinh thể. Các bóng bán dẫn khác có thể được sử dụng, mặc dù có thể phải điều chỉnh độ lệch và phản hồi. Đối với các tinh thể không bóng được thiết kế để dao động ở các chế độ ngoài những chế độ bạn muốn, mạch của Hình 7 được đề xuất mạnh mẽ

Phản hồi được điều chỉnh bởi một vòi dọc theo tải thu của Q1. Giới hạn biên độ là quan trọng để duy trì sự tiêu tán tinh thể bên trong ranh giới. Đối với tinh thể 50 kHz, cuộn dây cần phải là 2 mH và tụ cộng hưởng của nó là 0,01 uF. Đầu ra xấp xỉ 0,5 V rms, về cơ bản là một sóng sin.

Việc sử dụng bộ đệm theo dõi phát hoặc bộ đệm theo dõi nguồn rất được khuyến khích.

Trong trường hợp tinh thể chế độ song song được sử dụng, tụ điện 1000 pF được chỉ định mắc nối tiếp với tinh thể phải được thay đổi thành điện dung tải đã chọn của tinh thể (thường là 30, 50 đến 100 pF cho các loại tinh thể này).

MẠCH TẨY TẾ BÀO CHẾT HF

Các thiết kế trạng thái rắn cho các tinh thể HF cắt AT nổi tiếng có xu hướng là quân đoàn. Tuy nhiên, kết quả không nhất thiết phải như những gì bạn mong đợi. Phần lớn các tinh thể thiết yếu lên đến 20 MHZ thường được chọn để hoạt động ở chế độ song song.

Tuy nhiên, loại tinh thể này có thể được sử dụng trong bộ dao động chế độ nối tiếp bằng cách định vị điện dung tải mong muốn nối tiếp với tinh thể như đã nêu trước đó. Hai loại mạch được thảo luận dưới đây.

Một bộ dao động tốt cho dải tần từ 3 đến 10 MHz không cần mạch điều chỉnh được trình bày trong Hình 8 (a). Nó là một cách tự nhiên, cùng một mạch như Hình 6. Mạch hoạt động cực tốt xuống 1 MHz khi C1 và C2 lần lượt cao hơn 470 pF và 820 pF. Nó có thể được sử dụng đến 15 MHz trong trường hợp C1 và C2 giảm xuống 120 pF và 330 pF. tương ứng.

Mạch này được khuyên dùng cho các mục đích phi lý học trong đó mong muốn đầu ra sóng hài lớn, hoặc không phải là một tùy chọn. Việc bao gồm một mạch điều chỉnh như trong 8b giảm thiểu đầu ra hài một cách đáng kể.

Thường nên sử dụng mạch điều chỉnh có Q đáng kể. Trong bộ dao động 6 MHz, Chúng tôi đã đạt được các kết quả dưới đây. Đặt ở cuộn Q có tần số 50 thì sóng hài bậc 2 là 35 dB.

Có Q là 160, nó đã là -50 dB! Điện trở Rf có thể được thay đổi (tăng một chút) để cải thiện điều này. Đầu ra cũng được nâng lên bằng cách sử dụng cuộn dây Q cao.

Như đã quan sát trước đây, với việc giảm phản hồi, cần vài chục giây để đạt được 100% đầu ra khi bật, ngay cả như vậy, độ ổn định tần số là rất tốt.

Hoạt động ở các tần số khác nhau có thể đạt được bằng cách điều chỉnh các tụ điện và cuộn dây một cách hiệu quả.

Mạch này (Hình 8) cũng có thể được thay đổi thành một VXO cực kỳ hữu ích. Một điện cảm cực nhỏ được xác định mắc nối tiếp với tinh thể và một trong các tụ điện trong mạch phản hồi được sử dụng như một loại biến thiên.

Một tụ điều chỉnh máy phát 10-415 pF hai băng thông thường sẽ thực hiện nhiệm vụ một cách hoàn hảo. Mỗi nhóm được hình nón song song.

Phạm vi điều chỉnh được xác định bởi tinh thể, độ tự cảm của L1 và tần số. Phạm vi lớn hơn thường có thể truy cập được bằng cách sử dụng các tinh thể tần số cao hơn. Độ ổn định là cực kỳ tốt, gần với độ ổn định của tinh thể.

MỘT BỘ GIÁM SÁT VIÊN VHF-MULTIPLIER

Mạch trong Hình 10 là một phiên bản sửa đổi của bộ dao động đảo ngược 'trở kháng'. Thông thường, áp dụng mạch đảo ngược trở kháng, bộ thu không được điều chỉnh hoặc nối đất cho RF.

Bộ thu có thể được điều chỉnh đến hai lần hoặc 3 lần tần số tinh thể để giảm thiểu đầu ra ở tần số tinh thể, một mạch điều chỉnh 2x được đề xuất.

BẠN KHÔNG BAO GIỜ được điều chỉnh bộ thu theo tần số tinh thể, nếu không mạch có thể dao động với tần số có thể nằm ngoài tầm kiểm soát của tinh thể. Bạn cần duy trì dây dẫn bộ thu rất nhỏ và từng cái càng nhiều càng tốt.

Kết quả cuối cùng bằng cách sử dụng loại mạch này là tuyệt vời. Gần như tất cả các đầu ra ngoài đầu ra mong muốn đều ở mức -60 dB hoặc cao hơn.

Độ ồn tạo ra đạt ít nhất 70 dB dưới đầu ra mong muốn. Điều này tạo ra một bộ dao động chuyển đổi vượt trội cho bộ chuyển đổi VHF / UHF.

Trên thực tế, 2 V RF có thể thu được trên đầu cuối nóng của L3 (bản gốc của tác giả là 30 MHz). Nguồn cung cấp do Zener điều tiết được khuyến nghị mạnh mẽ.

Như đã chỉ ra trong sơ đồ, các giá trị mạch khác nhau là cần thiết cho các bóng bán dẫn khác nhau. Các dải trong cấu trúc cụ thể cũng có thể yêu cầu sửa đổi. L1 có thể được sử dụng để di chuyển tinh thể theo tần số. Các thay đổi nhỏ về tần số (khoảng 1 ppm) diễn ra trong khi điều chỉnh L2 và L3 cũng như sử dụng các biến thể tải. Phải nói rằng, trong thử nghiệm thực tế, những điều này có thể không đáng kể.