Кварцевые генераторы на гармониках

Используя схемы бесконтурных кварцевых генераторов (КГ) 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 <= 1000 Oм. (3)

Только при выполнении условий (1), (2) или (3) схемы КГ будут вести себя как описано выше. Выбор номиналов резисторов смещения производится с использованием рекомендаций из [3]. Выходное сопротивление КГ (рис.3) практически равно R3. Буферные каскады для таких КГ можно использовать такие же, как и в [2]. Однако всегда следует помнить, что буферный каскад может дифференцировать (а в отдельных случаях интегрировать) входной сигнал, что приводит к искажению формы колебаний в случае синусоидальных сигналов. Приведённые выше схемы КГ могут быть рекомендованы для широкого использования в радиолюбительских конструкциях. Особенно удачной, по мнению автора, является схема на рис.3, имеющая 50-омный выход по ВЧ (при номиналах R1=R2=10 кОм, R3=51 Ом). Данные схемы КГ являются по классификации [5] "двухточечными", способными работать как на первой, так и на третьей гармонике кварца. Например, кварц РК-169 в схеме по рис. 3 (R3=51 Ом) генерировал с частотой 27411 кГц при С3=51 пФ, и с частотой 9142,42 кГц при С3=330 пФ, в то время как на корпусе кварца была указана частота 27,41 МГц.

Рис.4 Схема кварцевого генератора

Теперь рассмотрим генераторы, сконструированные автором на основе прототипа - генератора Пирса, который представляет собой генератор с ёмкостной связью через конденсаторы С2 и С4 (рис.4).

Рис.5 Схема кварцевого генератора

Кварцевый резонатор при работе в генераторе Пирса имеет индуктивное реактивное сопротивление, поэтому такой генератор работает в области частот, находящейся между частотой последовательного f_s и параллельного f_p резонанса кварца. Согласно [4], кварц в этом генераторе генерирует на частоте, близкой к f_p, однако в [6] отмечается, что частота генерации ближе к f_s, нежели к f_p. В этой связи деление таких КГ на генераторы последовательного и параллельного резонанса не совсем удачно вследствие зависимости генерируемой частоты от значений реактивностей, входящих в схему (например, на рис.5 это С2 и С4).

Табл. 1
С2, пф	С3,пФ	Частота f, кГц	Напряжение ВЧ на коллекторе транзистора VT1, В
		46518,46	2,22
2,2	2,2	46518,23	2,04
3,9	3,9	46518,15	1,94
6,2	6,2	46518,26	1,96
		15516,82	3,00
		15516,15	2,72
		15515,77	2,17
		15515,38	2,17
		15514,67	1,47
		15514,04	0,67
		15513,75	0,33
		15513,54	0,13

На рис. 4 резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения для создания необходимого напряжения смещения базы транзистора VT1. Для получения высокой температурной стабильности рабочей точки используется цепь ООС по постоянному току R3-C3. Конденсаторы С1 и С3 - блокировочные, они при достаточной ёмкости не влияют на частоту КГ. В то же время, конденсаторы С2 и С4 непосредственно участвуют в генерации колебаний, и от их ёмкости зависит частота. Реактивное (индуктивное) сопротивление дросселя L1 весьма велико (намного больше реактивных сопротивлений конденсаторов С2, С4 и кварца ZQ1), поэтому роль дросселя L1 в схеме КГ Пирса сводится исключительно к разделению постоянного и ВЧ-токов. По этой причине L1 можно заменить каким-либо другим источником тока (даже резистором). Особо следует отметить, что применение подобных дросселей (особенно с высоким значением добротности Q) в ряде случаев может приводить к возбуждению генератора совсем не на частотах кварца. Введение дросселя снижает надёжность КГ, поэтому по возможности лучше отказаться от него. Рабочая схема КГ приведена на рис.5. Выбирая ёмкости конденсаторов С2=СЗ достаточно малыми, получаем генерацию на третьей гармонике кварца. По мере увеличения указанных ёмкостей начинает повторяться картина, показанная на рис.2, и при достаточно больших величинах этих ёмкостей получаем генерацию на первой гармонике кварца. На транзисторах VT2 и VT3 выполнен буферный каскад, представляющий собой включённые один за другим эмиттерные повторители. Резисторы R3 и R7 - антипаразитные, служат для повышения устойчивости работы буферного каскада. Если принять, что С2=С3, то при работе КГ на третьей гармонике эти ёмкости можно определить из выражения

С2 = С3 = L, (пФ)

где L - длина волны для третьей гармоники, м. Для надёжной работы на первой гармонике эти ёмкости надо выбирать в 3, а лучше в 5 раз большими.

Рис.6 ВЧ-приставка к вольтметру

На рис.6 приведена схема ВЧ-приставки к вольтметру с высоким входным сопротивлением, при помощи которой и с использованием градуировочного графика определялось ВЧ-напряжение на коллекторе VT1 (рис.5). Приставку подключают к высокоомному (R_BX>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 (С_бэ, C_Kg, С_кэ), 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 С_зи, 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 С_зи 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 (С_зи) 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
	27669,36
	27669,05
	27668,97
	27669,07
	27668,95
	Срыв генерации

Табл. 3
Ёмкость С3, пФ	Частота генерации f, кГц	Выходное напряжение Uвых мВ
3,3	27669,31
4,7	27669 24
6,2	27669 16
	27668,94
	27668,74
	27668,69
	27668,63
	27668,64
	27668,58
	27668,59
	Область двухчастотных колебаний
	9230,70
	9228,97
	9228,73
	9228,81
	9229,00
	9228,89
	9228,75
	Срыв генерации

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
	46519,42	1,88
	15525,43	2,46
	15525,07	1,29
	15523,50	0,69
	15522,99	0,42
	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

f_n = n(1 -Y_n)*f₁, (5)

где f_n - частота n-й механической гармоники кварца, n - номер соответствующей гармоники (в данном случае целое нечётное число), f₁ -частота первой механической гармоники кварца, Y_n - 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 С_бэ для БТ и С_зи для ПТ (С_бэ»С_зи). Если сравнять C_бэ и С_зи путём подключения дополнительной ёмкости С_доп (С_доп ~= С_зи) 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.

Дата добавления: 2015-05-09