КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА ГАРМОНИКАХ

Радиомир, 2004, №5-№6

Используя схемы бесконтурных кварцевых генераторов (КГ) автора [1, 2], можно получить генерацию не только на первой (основной) гармонике кварца, но и на его третьей гармонике. При этом интересно отметить, что в этих схемах на третьей гармонике работают как специально предназначенные для генерации на гармониках кварцы (так называемые гармониковые), так и обычные.


Рис.1 Схема кварцевого генератора

Однако приведённые схемы далеко не исчерпывают схемотехнику бесконтурных обертонных кварцевых генераторов Еще одна схема из семейства таких генераторов на биполярном транзисторе приведена на рис.1. Такой КГ проще схем из [1, 2]. На первый взгляд, эта схема похожа на хорошо известную схему ёмкостной "трёхточки", однако она отличается от "классической" схемы. В генераторе отсутствует один из конденсаторов обратной связи (между базой и эмиттером транзистора) по сравнению с "классической" схемой КГ. Помимо сокращения числа элементов, схема имеет и другие преимущества "Классический" КГ генерирует исключительно на первой гармонике кварца. Автору в многочисленных опытах никогда не удавалось получить генерацию на третьей (механической) гармонике. Схема, приведённая на рис 1, при достаточно малой ёмкости С3 (обычно несколько десятков пикофарад) легко запускается на третьей гармонике кварца. При этом по мере увеличения ёмкости С3 уровень выходного ВЧ-напряжения КГ постепенно уменьшается (также незначительно уменьшается частота генерируемых колебаний на десятки - сотни герц) При дальнейшем росте С3 происходит переход генератора в область двухчастотных колебаний, а далее - "перескок" генерируемых колебаний на частоту первой гармоники. Амплитуда генерируемых колебаний при этом вновь вырастает


Рис.2 Осциллограмма

При ещё большем увеличении С3 происходит постепенное уменьшение амплитуды колебаний, сопровождаемое незначительным уменьшением частоты, и наконец, при достаточно большой ёмкости С3 (например, несколько нанофарад для кварца на частоту 27 МГц) колебания КГ срываются. Картина происходящих явлений в КГ по мере увеличения ёмкости С3 приведена на рис.2. Амплитуда выходного напряжения КГ при генерации на первой гармонике (для "гармониковых" кварцев) оказывается больше, чем при генерации на третьей гармонике (для тех же кварцев). Таким образом, на рис. 2 представлен наиболее общий случай, когда для кварца возможна генерация как на первой, так и на третьей механической гармонике. Иногда (весьма редко) всё же встречаются кварцы, генерирующие только на первой гармонике. В этом случае на рис.2 остаётся только один пик (правый), а левый пик и область двухчастотных колебаний исчезают. Для наблюдения "перескоков" частоты КГ при изменении ёмкости С3 необходимо присоединить к КГ через хорошие буферные каскады (с входным сопротивлением более 10 кОм и входной ёмкостью не более нескольких пикофарад) ВЧ-осциллограф и частотомер. В качестве С3 используется КПЕ (12...495 пФ), включаемый в схему КГ либо непосредственно, либо через малые ёмкости (несколько десятков пикофарад). Подключение КПЕ к плате КГ выполняют толстыми неизолированными проводами минимально возможной длины.


Рис.3 Схема кварцевого генератора

Однако с точки зрения практического использования более удобна схема, представленная на рис.3. В этом случае требования к буферному каскаду значительно снижаются. Тем не менее, и при работе такой схемы КГ в составе приёмника или трансивера буферный каскад (хоты бы простейший) все-таки желателен. Необходимо также осуществить стабилизацию питания приведённых схем КГ. Следует особо обратить внимание на номиналы резисторов в схемах (рис.1 и 3): их нельзя менять в широких пределах. Так, для схемы КГ по рис. 1 при напряжении питания 9...12 В должно выполняться условие:

R1 = R2 = 20*R3;
R3 = 470...2000 Ом (1)

КГ согласно рис. 3 при таком же напряжении питания требует выполнения условий:

R1 = R2 = 20*R4 (при R3 « R4);
R4 = 470.. 2000 Ом, (2)
или
R1 = 20*R4;
R2 = 10*R4 (при R3 ~= R4);
R4 = 470...2000 Ом;
R3 1 МОм) вольтметру в режиме измерения постоянного напряжения. Данные, полученные для одного из гармониковых кварцев (46,516 МГц), представлены в табл.1. Как видно из таблицы, для кварцев на частоту около 50 МГц вполне хватает тех ёмкостей, которые имеют монтажная плата и сам транзистор. Для кварца на 27 МГц генерации на третьей гармонике в отсутствии С2 и С3 не наблюдается.


Рис.7 Генератор на основе истокового повторителя

Используемые для построения кварцевых генераторов(КГ)биполярные транзисторы (БТ) характеризуются достаточно большими ёмкостями между электродами (Сбэ, CKg, Скэ), присущими собственно транзистору. Будем называть их внутренними ёмкостями транзистора Из-за значительных внутренних ёмкостей БТ работа КГ на этих транзисторах определяется уже не только ёмкостями конденсаторов, но и внутренними ёмкостями БТ. СВЧ-полевые транзисторы (ПТ) с одним или двумя изолированными затворами имеют весьма малые внутренние ёмкости, которые на порядок (или даже более) меньше, чем внутренние ёмкости ВЧ БТ. Поэтому работа КГ на СВЧ ПТ будет определяться в основном только ёмкостями конденсаторов, а также паразитными ёмкостями монтажа. Предлагаемая схема КГ на ПТ (рис.7) выполнена на основе истокового повторителя. Поскольку в настоящее время наибольшее распространение получили СВЧ ПТ с двумя изолированными затворами, а для сравнения работы КГ на биполярных и полевых транзисторах нужен однозатворный ПТ, такой ПТ получается из двухзатворного при соединении его затворов вместе. Учитывая, что используемые СВЧ ПТ работают в области частот до единиц гигагерц, они весьма склонны к самовозбуждению (печатные дорожки на плате "работают" как своеобразные СВЧ-контура). Для устранения самовозбуждения автор использовал антипаразитные SMD-резисторы с небольшим сопротивлением, номинал которых подбирался опытным путём (на рис. 7 это R3 и R4). Такие SMD-резисторы припаиваются к укороченным до минимально возможной для монтажа длины выводам ПТ Для устранения ухода частоты КГ в ходе измерений, к нему подключается буферный каскад из последовательно включённых истокового и эмиттерного повторителей. Полная схема исследуемого КГ на СВЧ ПТ представлена на рис.8. Данный буферный каскад обладает значительно лучшими свойствами, чем буферный каскад на ВЧ БТ (рис. 5).


Рис.8 Генераторный каскад

На первый взгляд, схемы КГ на БТ и ПТ по принципу действия одинаковы (обе схемы выполнены на основе широкополосных повторителей напряжения), но эксперименты показали, что ведут они себя различно. В КГ на БТ (рис.1), при некоторой (малой) ёмкости конденсатора в цепи эмиттера транзистора, возникает генерация на третьей гармонике. По мере увеличения ёмкости конденсатора, генерация по-прежнему происходит на той же гармонике кварца. И только при дальнейшем увеличении ёмкости указанного конденсатора генератор переходит в область сложных колебаний. Зона сложных колебаний обычно наблюдается в довольно узком диапазоне изменения ёмкости конденсатора (доли...единицы пикофарад). В этой же области наблюдается пик (максимум) выходного напряжения. Дальнейшее увеличение ёмкости конденсатора приводит к генерации на первой механической гармонике кварца. В КГ на СВЧ ПТ, при использовании достаточно низкочастотного кварца (например, с первой механической гармоникой около 9 МГц), описанная выше смена состояний вообще не наблюдается, что можно в первом приближении объяснить весьма малыми внутренними ёмкостями ПТ. Для проверки этого предположения с помощью специально включаемого конденсатора (6,8 пФ), обозначенного на рис.7 и 8 как Сзи, искусственно увеличивалась соответствующая ёмкость транзистора, что делает работу КГ на БТ и ПТ сопоставимой. Данные для КГ на ПТ (частота и выходное напряжение) без конденсатора представлены в табл.2. В табл. 3 приведены данные для случая, когда устанавливался дополнительный конденсатор с ёмкостью 6,8 пФ. При этом использовался один и тот же кварц (27668 кГц), а также резисторы R1=R2=20 кОм. После установки дополнительного конденсатора Сзи рассматриваемый КГ стал вести себя аналогично КГ на БТ. Если КГ на ПТ работают с высокочастотными кварцами (например, кварцем с первой механической гармоникой около 15 МГц), то внутренней ёмкости самого ПТ (Сзи) уже вполне хватает для нормальной работы КГ. Данные для КГ с высокочастотными кварцами представлены в табл. 4 (на 46,516 МГц). При этом R1=R2=20 кОм.


Рис.9 Осциллограмма


Рис.10 Осциллограмма

Зависимость частоты и выходного напряжения от величины С3 из табл. 2 и 3 представлены в графическом виде на рис.9 и 10, а из табл. 4 - на рис.11.


Рис.11 Осциллограмма

Табл. 2 Ёмкость С3, пФ Частота генерации f, кГц Выходное напряжение Uвых мВ 6,2 Генерации нет 0 12 27669,36 1032 24 27669,05 939 51 27668,97 578 100 27669,07 243 150 27668,95 122 200 Срыв генерации 0
Табл. 3 Ёмкость С3, пФ Частота генерации f, кГц Выходное напряжение Uвых мВ 3,3 27669,31 1128 4,7 27669 24 1118 6,2 27669 16 1110 12 27668,94 1073 24 27668,74 1001 27 27668,69 988 30 27668,63 948 33 27668,64 947 36 27668,58 896 39 27668,59 911 43 Область двухчастотных колебаний 1778 51 9230,70 1672 100 9228,97 1313 150 9228,73 997 200 9228,81 660 300 9229,00 324 390 9228,89 252 470 9228,75 187 680 Срыв генерации 0
Табл. 4 Ёмкость С3, пФ Частота генерации f, кГц Напряжение ВЧ на истоке транзистора VT2, В 2,2 46519,92 2,15 3,3 46519,90 2,19 4,7 46519,79 2,21 6,2 46519,74 2,12 12 46519,42 1,88 24 15525,43 2,46 51 15525,07 1,29 100 15523,50 0,69 150 15522,99 0,42 200 15522,25 0,22

Примечания:
1 При C3=20 пф существует зона двухчастотных колебаний.
2 Если R1=R2=1 МОм, генерация происходит только на частоте 15,52 МГц

Транзисторы генератора и буферного каскада всех рассмотренных схем КГ работают при значительных уровнях ВЧ-сигналов, и поэтому вносят существенные нелинейные искажения. На выходе КГ присутствуют со значительным уровнем также и электрические гармоники сигнала. Частота этих гармоник в целое число раз больше основной частоты (т.е. первой гармоники). При работе кварца, например, на частоте 9 МГц, на выходе КГ будут также присутствовать и частоты 18, 27, 36, 45 МГц и т.д. Однако, как правило, эти высшие гармоники на порядок или более слабее, чем первая гармоника. Механические гармоники кварца не точно в целое число раз больше одна другой. Поэтому первая и третья механические гармоники кварца будут отличаться по частоте в число раз, не равное трём. Используя эту особенность механических гармоник кварцев, можно различать собственно механические гармоники и гармоники электрические. Например, используя данные из табл 1, получим отношение частот

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

Частота резонаторов на механических гармониках определяется, согласно [9], выражением

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

где fn - частота n-й механической гармоники кварца, n - номер соответствующей гармоники (в данном случае целое нечётное число), f1 -частота первой механической гармоники кварца, Yn - поправочный коэффициент, зависящий от номера гармоники. Например, Y3=0,001 [9] Таким образом, выражение (5) для третьей механической гармоники приобретает вид:

f3=3*(1-0,001)*f1, (6)
откуда
f3/f1 = 3*(1 -0,001) = 2,997 (7)

Поскольку численные значения выражений (4) и (7) практически совпадают, можно говорить о том, что в генераторе возможна генерация как на первой, так и на третьей механической гармонике кварца. Область сложных колебаний (рис. 2) существует во всех рассмотренных выше схемах КГ Её можно обнаружить, подключив к выходу КГ осциллограф. На экране наблюдается сложная картина, далёкая от обычной синусоиды. В зоне сложных колебаний сосуществуют колебания и первой, и третьей механических гармоник Увеличение ёмкости соответствующего конденсатора (С3) ведёт к уменьшению амплитуды третьей гармоники и возрастанию амплитуды первой. Во всех рассмотренных КГ при генерации на первой механической гармонике выходное напряжение оказывается несколько больше, чем при генерации на третьей. Колебания с частотой первой механической гармоники всегда "сильнее", чем колебания с частотой третьей, поэтому происходит увеличение выходного напряжения КГ в области двухчастотных колебаний при увеличении ёмкости "управляющего" конденсатора (С3). Увеличение ёмкости "управляющего" конденсатора вне зоны двухчастотных колебаний приводит, наоборот, к уменьшению выходного напряжения генератора.


Рис.12 Эквивалентная схема кварца


Рис.13 Эквивалентная схема кварца

Наблюдаемые отличия в работе КГ на БТ и ПТ, а также аномальная работа КГ на ПТ в случае использования достаточно низкочастотных кварцев, обусловлена разницей значений Сбэ для БТ и Сзи для ПТ (Сбэ»Сзи). Если сравнять Cбэ и Сзи путём подключения дополнительной ёмкости Сдоп (Сдоп ~= Сзи) между затвором и истоком ПТ, КГ на БТ и ПТ начинают вести себя примерно одинаково. Поскольку все рассмотренные выше схемы КГ работают как на первой, так и на третьей механической гармонике кварца, для анализа можно использовать эквивалентную схему кварца, показанную на рис.12. Используя такую схему кварца, можно представить эквивалентную схему генератора на ПТ согласно рис.13.

Все рассмотренные схемы КГ не содержат никаких колебательных (резонансных) контуров, кроме самого кварца. Это значительно упрощает изготовление и настройку таких гармониковых КГ путём подбора в основном только ёмкости "управляющего" конденсатора.

Литература:
1. Артеменко В. Бесконтурный кварцевый генератор. - Радиолюбитель, 2000, N8, С.27.
2. Артеменко В. Кварцевый обертонный бесконтурный генератор. - Радиомир. KB И УКВ, 2002, №1, С.27-29.
3. Хоровиц П., Хилл У. Исскусство схемотехники. Том 1. - М.: Мир, 1984.
4. Хабловски И., Скулимовски В. Электроника в вопросах и ответах. - М.: Радио и связь, 1984.
5. Белоусов О. Двухточечный кварцевый генератор. - Радиомир, 2001, N7, С.33.
6. Мэзон У. Пьезоэлектрические кристаллы и их применения в ультраакустике.- М.: ИЛ, 1952.
7. Белоусов О. Кварцевый генератор - Радиоаматор, 2002, N6, С.25.
8. Артеменко В. Барьерные генераторы ВЧ на биполярных транзисторах. - Радиохобби, 2000, N2, С.35.
9. Лабутин Л. Кварцевые резонаторы - Радио. 1975, N3, С.13-16.

 

В. АРТЕМЕНКО, UT5UDJ, г.Киев.






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.