Кварцевые генераторы на биполярных и полевых транзистораха также схемы генераторов стабильной частоты на цифровых КМОП и ТТЛ микросхемах. Онлайн калькулятор расчёта элементов Параметр стабильности LC-генератора при условии качественного исполнения данного узла, наличия
высокодобротных катушек и конденсаторов с подобранными ТКЕ может достигать достаточно высоких значений. Это даёт возможность
радиолюбителю, не направляя свой взгляд в сторону цифровых аксессуаров, вести комфортный приём/передачу однополосных
сигналов в частотном диапазоне работы ГПД до 10...15Мгц.
Частота последовательного резонанса выражается формулой: , а частота параллельного: . Произведя несложные математические манипуляции, получаем: Поскольку на практике Сo≫Ck, то расхождение между частотами параллельного и последовательного резонансов невелико - максимальная разность близка к 0,4% от паспортной частоты кварца. Также не составит особого труда заметить, что Fпар всегда > Fпосл. Для интересующихся темой приведу некоторые типичные значения параметров эквивалентной схемы кварцевых резонаторов.
Переходим к некоторым расхожим практическим схемам генераторов с кварцевой стабилизацией частоты.
Очевидно, что для возбуждения любого усилителя необходима положительная обратная связь, которая поворачивала бы фазу на 180˚. Один только кварцевый резонатор не сможет обеспечить такой поворот фазы. Поэтому в схему дополнительно вводятся конденсаторы C1 и C2. При возбуждении кварцевого резонатора на нечётных механических гармониках кварца, вместо резистора R3 включают катушку индуктивности L1 (Рис.3). Параметры контура следует выбирать так, чтобы его собственная частота составляла 0,7...0,8 от частоты генерации. В результате контур имеет ёмкостную проводимость на частоте необходимой гармоники, что исключает возможность генерации на низших гармониках и основной частоте. Значительно большим фазовым запасом для возникновения условий генерации обладают схемы ёмкостных трёхточек Пирса, выполненные на полевых транзисторах, либо КМОП микросхемах, в том числе и цифровых. Объясняется это высоким входным сопротивлением подобных устройств, что, в свою очередь, создаёт более правильные условия для работы цепей фазовращателя. Рис.4 Рис.5 Рис.6 Схемы, выполненные на полевых транзисторах (Рис.4,5), аналогичны схемам свох биполярных аналогов. Резистор R3 определяет режим работы Т1 по постоянному току, и выбирается исходя из необходимого тока покоя транзистора (1-5мА). На Рис.6 приведена схема генератора Пирса, построенная на высокочастотном ОУ, либо инверторе КМОП-логики, использующимся в качестве инвертирующего усилителя. По сравнению со схемами на биполярных транзисторах, приведённые осцилляторы не так критичны в точности выбора номиналов фазосдвигающих конденсаторов С1 и С2. При применении цифровых КМОП инверторов, даже при выборе типичных значении ёмкостей C1 = C2 = 15 пФ, сохраняются условия для устойчивой генерации в достаточно широком диапазоне частот. Генераторы Пирса вполне заслуженно считаются генераторами с наилучшей кратковременной стабильностью частоты, однако обладают определённым набором недостатков – как то: относительная сложность, необходимость качественной стабилизации базового тока транзистора, а также то, что ни один из выводов кварцевого резонатора не подключён к шине корпуса. Отчасти указанных недостатков лишён генератор Колпитца – схемотехническое решение ещё одного трехточечного кварцевого генератора, в котором транзистор активного элемента по переменному току включён по схеме с общим коллектором. При этом кварцевый резонатор, имеющий индуктивный характер реактивного сопротивления, входит в состав параллельного резонансного контура, один из выводов которого может быть подключён к земляной шине. Рис.7 Рис.8 На Рис.7 приведена базовая схема кварцевого генератора Колпитца при условии возбуждения резонатора на основной частоте. Замена постоянного конденсатора С3 на подстроечный (Рис.8) даёт возможность регулировки рабочей частоты кварцевого генератора в некоторых незначительных пределах. Рис.9 Рис.10 Схема для возбуждения кварцевого генератора на 3-5 механической гармонике кварца (Рис.9) была замечена в datasheet-е на буржуйскую микросхему SA612A. Последовательный резонанс- ный контур, образованный цепочкой L1, С3, шунтирует нагрузочный резистор R4 на основной частоте работы резонатора и создаёт, тем самым, условия возникновения колебаний именно на той частоте гармоникового кварца, который указан на его корпусе. Ровно та же самая история, но с полевым транзистором вместо биполярного приведена на Рис.10. На высоких частотах, вплоть до 300МГц, целесообразно применять однокаскадные схемы генераторов с общей базой (Рис.11). Рис.11Рис.12 Рис.13 Рис.14 Схемы, приведённые на Рис.11 и Рис.12 функционально абсолютно идентичны, хотя первая из них представляет индуктивную трёхточку с кварцевым резонатором, выполненную по схеме Хартли, а вторая ёмкостную - по схеме Колпитца. Для возникновения колебаний необходимо, чтобы колебательный контур был настроен на частоту кварцевого резонатора, либо на частоту, равную кратной основной частоте гармоники. Дальнейшего улучшения условия самовозбуждения этих автогенераторов на высоких частотах можно добиться, включив параллельно кварцу дополнительную катушку индуктивности L2 (Рис.13 и Рис.14). Контур, образованный параллельной ёмкостью кварца Со и катушкой L2, настраивают на частоту используемой гармоники. Точно также как и в предыдущих случаях, биполярный транзистор лёгким движением руки может быть заменён на полевой с соответствующими цепями смещения. ВАЖНО! 1. К источнику питания любые ВЧ генераторы, в том числе и окварцованные, следует подключать через интегрирующую RC цепочку, представляющую из себя резистор номиналом несколько сотен Ом (в зависимости от рабочего тока транзистора) и конденсатор, идущий одним выводом на землю, ёмкостью 0,1МкФ. 2. Каскады, подключаемые к выходу генератора, должны иметь достаточно высокое входное сопротивление. Идеально, если это будут цепи, реализованные на полевых транзисторах. 3. Разделительные конденсаторы, нарисованные на схемах последовательно с кварцевыми резонаторами, призваны отсечь от кварца постоянное напряжение. Кто-то их ставит, кто-то нет – по-любому, внятных теоретических обоснований по поводу вреда здоровью резонаторов от постоянки я не встречал. Так, что считайте присутствие этих элементов факультативным, хуже точно не будет, лучше – вполне вероятно. 4. Базовая схема кварцевого генератора на цифровой микросхеме (Рис.6) отлично работает в широком диапазоне частот и не требует никаких модификаций. Многочисленные 2-3 вентильные вариации на заданную тему большого смысла не имеют, так как обладают худшими частотными свойствами. Разве, что можно обратить внимание на схему, изображённую на Рис.15, Рис.15 которая за счёт более высокого совокупного коэффициента усиления создаёт дополнительные условия для устойчивой генерации и меньшей зависимости от номиналов ёмкостей. Ну и по традиции – калькулятор в студию! Онлайн расчёт элементов кварцевых генераторов Приведённый калькулятор не претендует на 100% достоверность, так не в состоянии учитывать реальные характеристики применяемых резонаторов, однако, в большинстве случаев поможет радиолюбителю не допустить явных ошибок и запустить устройство без шаманства и танцев с бубнами. А на следующей странице рассмотрим схемы кварцевых генераторов, обладающих способностью плавной перестройки в некотором не очень широком диапазоне частот.
|