ทำความเข้าใจเกี่ยวกับวงจร Crystal Oscillator

ลองใช้เครื่องมือของเราเพื่อกำจัดปัญหา





การกำหนดค่าวงจรโซลิดสเตตคริสตัลออสซิลเลเตอร์ขั้นพื้นฐานได้รับการพัฒนามากขึ้นในปัจจุบันวงจรเกือบทั้งหมดเป็นการปรับเปลี่ยนระบบหลอดสุญญากาศที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางเช่นออสซิลเลเตอร์ Pierce, Hartley, Clapp และ Butler และทำงานร่วมกับอุปกรณ์สองขั้วและ FET

แม้ว่าวงจรทั้งหมดเหล่านี้จะเป็นไปตามวัตถุประสงค์ที่ออกแบบไว้โดยพื้นฐาน แต่ก็มีแอปพลิเคชั่นมากมายที่เรียกร้องให้มีบางสิ่งที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงหรือในกรณีที่ต้องอธิบายฟังก์ชันการทำงานอย่างถูกต้อง



รายการด้านล่างนี้เป็นวงจรสำหรับการใช้งานที่หลากหลายตั้งแต่ LF จนถึงช่วง VHF ซึ่งโดยทั่วไปจะไม่เห็นในการใช้งานมือสมัครเล่นหรือหนังสือที่มีอยู่

เทคนิควงจรออสซิลเลเตอร์คริสตัลโซลิดสเตตขั้นพื้นฐานได้รับการยอมรับอย่างดีวงจรส่วนใหญ่เป็นการดัดแปลงเทคโนโลยีหลอดสุญญากาศที่รู้จักกันดีเช่นออสซิลเลเตอร์ Pierce, Hartley, Clapp และ Butler และใช้ทั้งอุปกรณ์สองขั้วและ FET



ในขณะที่วงจรเหล่านี้ตอบสนองวัตถุประสงค์ที่ตั้งใจไว้โดยทั่วไปมีแอพพลิเคชั่นมากมายที่ต้องการบางสิ่งบางอย่างที่แตกต่างกันหรือในกรณีที่ประสิทธิภาพต้องมีลักษณะที่น่าเชื่อถือ

นำเสนอต่อไปนี้เป็นวงจรที่หลากหลายสำหรับการใช้งานที่หลากหลายตั้งแต่ LF จนถึงช่วง VHF ซึ่งไม่พบโดยทั่วไปในการใช้งานหรือวรรณกรรมสมัครเล่นในปัจจุบัน

โหมดการทำงาน

จุดที่ไม่ค่อยมีค่าหรือถูกมองข้ามไปก็คือความจริงที่ว่าผลึกควอตซ์สามารถสั่นในโหมดเรโซแนนซ์แบบขนานและโหมดเรโซแนนซ์แบบอนุกรม ความถี่ทั้งสองถูกแยกออกโดยมีความแตกต่างกันเล็กน้อยโดยปกติจะอยู่ที่ 2-15 กิโลเฮิร์ตซ์ในช่วงความถี่

ความถี่เรโซแนนซ์แบบอนุกรมมีความถี่น้อยกว่าเมื่อเทียบกับแบบขนาน

คริสตัลเฉพาะที่ออกแบบมาเพื่อใช้ในโหมดขนานอาจถูกนำไปใช้อย่างเหมาะสมในวงจรเรโซแนนซ์แบบอนุกรมหากตัวเก็บประจุมีขนาดเทียบเท่ากับความจุโหลดที่แน่นอน (โดยทั่วไปคือ 20,30, 50 หรือ 100 pF) ติดอยู่ในอนุกรมกับคริสตัล

น่าเสียดายที่ไม่สามารถสลับงานสำหรับคริสตัลเรโซแนนซ์แบบอนุกรมในวงจรโหมดขนานได้ คริสตัลโหมดซีรีส์อาจจะแกว่งเกินความถี่ที่ปรับเทียบแล้วในสถานการณ์และอาจไม่สามารถโหลดลง capacitively ได้เพียงพอ

วงจรบัตเลอร์เป็นระยะ

คริสตัลโอเวอร์โทนทำงานในโหมดอนุกรมโดยทั่วไปในโอเวอร์โทนที่สามห้าหรือเจ็ดและผู้ผลิตมักจะปรับเทียบคริสตัลในความถี่โอเวอร์โทน

การเรียกใช้คริสตัลในโหมดคู่ขนานและการคูณความถี่ 3 หรือ 5 ครั้งจะสร้างผลลัพธ์ที่ค่อนข้างใหม่โดยการใช้คริสตัลเดียวกันอย่างแม่นยำในโหมดซีรีส์เมื่อโอเวอร์โทนที่ 3 หรือ 5

ในขณะที่การซื้อคริสตัลโอเวอร์โทนอยู่ห่างจากภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกและระบุความถี่ที่คุณต้องการแทนที่จะเป็นความถี่พื้นฐานที่ชัดเจน

โดยทั่วไปผลึกพื้นฐานที่อยู่ในช่วง 500 kHz ถึง 20 MHz จะถูกสร้างขึ้นสำหรับการทำงานในโหมดขนานอย่างไรก็ตามการทำงานของโหมดอนุกรมอาจถูกถาม

สำหรับผลึกความถี่ต่ำถึง 1 MHz สามารถเลือกโหมดใดก็ได้ Overtone crystals ปกติครอบคลุมช่วง 15 MHz ถึง 150 MHz

WIDE RANGE หรือ APERIODIC OSCILLATORS

ออสซิลเลเตอร์ที่ไม่เคยใช้วงจรปรับแต่งมักมีประโยชน์มากไม่ว่าจะเป็น 'ตัวตรวจสอบคริสตัล' หรือเหตุผลอื่นใดก็ตาม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับคริสตัล LF วงจรที่ปรับแล้วอาจค่อนข้างใหญ่

ในทางกลับกันพวกเขามักจะไม่ติดกับดักของตัวเอง คริสตัลบางส่วนมีความไวต่อการสั่นในโหมดที่ไม่พึงปรารถนาโดยเฉพาะผลึก DT และ CT ที่มีไว้สำหรับออสซิลเลเตอร์ควอตซ์ LF

เป็นความคิดที่ดีอย่างแท้จริงที่จะตรวจสอบให้แน่ใจว่าเอาต์พุตอยู่ในความถี่ที่เหมาะสมและไม่มี 'ความไม่แน่นอนของโหมด' ปรากฏขึ้น การลดข้อเสนอแนะที่ความถี่ที่สูงขึ้นมักจะแก้ปัญหานี้ได้

ในกรณีพิเศษทฤษฎีข้างต้นสามารถลืมได้และออสซิลเลเตอร์ที่มีวงจรปรับจูนมาใช้เป็นทางเลือกอื่น (ออสซิลเลเตอร์คริสตัล LF จะได้รับการตรวจสอบในภายหลัง)

วงจรคริสตัล

วงจรแรกด้านล่างคือออสซิลเลเตอร์คู่ตัวปล่อยซึ่งเป็นรูปแบบของวงจรบัตเลอร์ เอาต์พุตของวงจรในรูปที่ 1 โดยทั่วไปแล้วคลื่นไซน์ที่ลดตัวต้านทานตัวปล่อยของ Q2 จะช่วยเพิ่มเอาต์พุตฮาร์มอนิก

เป็นผลให้คริสตัล 100 kHz สร้างฮาร์มอนิกที่ยอดเยี่ยมผ่าน 30 MHz มันเป็นวงจรโหมดอนุกรม

สามารถใช้ทรานซิสเตอร์ได้หลายแบบ สำหรับคริสตัลที่สูงกว่า 3 MHz แนะนำให้ใช้ทรานซิสเตอร์ที่มีผลิตภัณฑ์แบนด์วิดธ์อัตราขยายสูง สำหรับคริสตัลที่อยู่ในช่วง 50 kHz ถึง 500 kHz ขอแนะนำให้ใช้ทรานซิสเตอร์ที่มีอัตราขยาย LF สูงเช่น 2N3565

นอกจากนี้สำหรับคริสตัลภายในการเลือกนี้การกระจายที่อนุญาตโดยปกติจะต่ำกว่า 100 ไมโครวัตต์และการ จำกัด แอมพลิจูดอาจเป็นสิ่งจำเป็น

แนะนำให้ลดแรงดันไฟฟ้าตามขั้นตอนพร้อมกับการสตาร์ทอย่างมีประสิทธิภาพ การแก้ไขวงจรโดยการรวมไดโอดดังแสดงในรูปที่ 3 เป็นเทคนิคที่มีประโยชน์มากกว่าและเพิ่มประสิทธิภาพในการสตาร์ท

วงจรจะแกว่งที่สูงถึง 10 MHz โดยใช้ทรานซิสเตอร์และค่าตัวต้านทานอิมิตเตอร์ที่เหมาะสม โดยทั่วไปแนะนำให้ใช้บัฟเฟอร์ผู้ติดตามตัวปล่อยหรือผู้ติดตามแหล่งที่มา

ความคิดเห็นที่เหมือนกันกับข้างต้นเชื่อมต่อกับรูปที่ 2 บัฟเฟอร์ผู้ติดตามตัวปล่อยจะรวมอยู่ในวงจรนี้

วงจรทั้งสองค่อนข้างไวต่อความถี่และการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าและข้อกำหนดในการโหลด แนะนำให้โหลด 1 k หรือสูงกว่า

อีซีแอลวงจรโหมดออสซิลเลเตอร์แบบคู่


TTL lC สามารถใช้ร่วมกับวงจรคริสตัลออสซิลเลเตอร์ได้แม้ว่าวงจรที่เผยแพร่จำนวนมากจะมีประสิทธิภาพในการเริ่มต้นที่แย่มากหรือไม่สามารถทำซ้ำได้เนื่องจากพารามิเตอร์มากมายใน lC

วงจรในรูปที่ 4 ได้รับการทดลองโดยผู้เขียนในช่วง 1 MHz ถึง 18MHz และจะได้รับการสนับสนุน นี่คือออสซิลเลเตอร์โหมดซีรีส์และชมเชยผลึก AT-cut

TTL คริสตัลออสซิลเลเตอร์

เอาต์พุตอยู่ที่ประมาณ 3 V สูงสุดถึงจุดสูงสุดคลื่นสี่เหลี่ยมสูงถึงประมาณ 5 MHz ข้างต้นซึ่งจะเปลี่ยนเป็นพัลส์ครึ่งไซน์มากขึ้น ประสิทธิภาพในการสตาร์ทนั้นยอดเยี่ยมซึ่งส่วนใหญ่เป็นปัจจัยสำคัญกับออสซิลเลเตอร์ TTL

OSCILLATORS คริสตัลความถี่ต่ำ

คริสตัลที่อยู่ในช่วง 50 kHz ถึง 500 kHz ต้องการปัจจัยเฉพาะที่ไม่พบในผลึก HF ตัด AT หรือ BT ที่แพร่หลายมากขึ้น

ความต้านทานของซีรีส์ที่คล้ายกันนั้นใหญ่กว่ามากและการกระจายที่อนุญาตถูก จำกัด ไว้ที่ 100 ไมโครวัตต์หรือต่ำกว่า 50 ไมโครวัตต์

วงจรในรูปที่ 5 คือออสซิลเลเตอร์โหมดอนุกรม ให้ประโยชน์ในการไม่ต้องการวงจรที่ปรับแต่งและมีตัวเลือกเอาต์พุตคลื่นไซน์หรือคลื่นสี่เหลี่ยม สำหรับคริสตัลที่อยู่ในสเปกตรัม 50-150 kHz ขอแนะนำให้ใช้ทรานซิสเตอร์ 2N3565 แม้ว่าผู้จัดพิมพ์จะพบว่า BC107 นั้นสมเหตุสมผลก็ตาม

ทั้งสองความหลากหลายอาจเพียงพอสำหรับคริสตัลที่อยู่ในช่วง 150 kHz ถึง 500 kHz หากคุณคิดว่าคริสตัลมีความต้านทานซีรีส์เทียบเท่าขนาดใหญ่คุณสามารถเพิ่มค่า R1 เป็น 270 โอห์มและ R2 เป็น 3.3 k

วงจรออสซิลเลเตอร์โหมดความถี่ต่ำ

สำหรับการทำงานของคลื่นสี่เหลี่ยม C1 คือ 1 uF (หรืออาจจะมีขนาดข้างหรือใหญ่กว่า) สำหรับเอาต์พุตคลื่นไซน์ C1 ไม่อยู่ในวงจร

การควบคุมความกว้างไม่จำเป็น เอาต์พุตคลื่นไซน์อยู่ที่ประมาณ 1 V rms เอาต์พุตสละสี่เหลี่ยมรอบ 4 V สูงสุดถึงจุดสูงสุด

วงจรในรูปที่ 6 เป็นออสซิลเลเตอร์ Colpitts ที่ปรับปรุงใหม่โดยมีการรวมตัวต้านทาน Rf เพื่อควบคุมข้อเสนอแนะ ตัวเก็บประจุ C1 และ C2 จะต้องถูกย่อให้เล็กลงด้วยขนาดที่คำนวณได้เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น

ที่ 500 kHz ค่าสำหรับ C1 และ C2 ต้องอยู่ที่ประมาณ 100 pF และ 1500 pF ตามลำดับ วงจรตามที่พิสูจน์แล้วให้เอาต์พุตคลื่นไซน์โดยใช้ฮาร์มอนิกที่สองที่ต่ำกว่า 40 dB (หรือสูงกว่า)

สิ่งนี้มักจะถูกย่อให้เล็กที่สุดโดยการปรับแต่ง Rf และ C1 อย่างตั้งใจ โปรดจำไว้ว่าในปริมาณที่ลดลงความคิดเห็นเป็นสิ่งสำคัญในการบรรลุเป้าหมายนี้จะต้องใช้เวลาประมาณ 20 วินาทีเพื่อให้ออสซิลเลเตอร์ได้รับเอาต์พุตเต็มรูปแบบ

เอาต์พุตอยู่ที่ประมาณ 2 ถึง 3 โวลต์สูงสุดถึงจุดสูงสุด เมื่อคุณต้องการเอาท์พุทที่โหลดด้วยฮาร์มอนิกการรวมตัวเก็บประจุ 0.1 uF เข้ากับตัวต้านทานอีซีแอลจะทำได้อย่างง่ายดาย เอาต์พุตจะเพิ่มขึ้นในเวลาต่อมาเป็นประมาณ 5 V สูงสุดถึงจุดสูงสุด

แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟอาจลดลงในกรณีเช่นนี้เพื่อลดการกระจายของคริสตัล อาจมีการใช้ทรานซิสเตอร์อื่น ๆ แม้ว่าอาจต้องปรับอคติและข้อเสนอแนะ สำหรับผลึกที่ไม่สามารถสั่นไหวได้รับการออกแบบให้สั่นในโหมดอื่นนอกเหนือจากที่คุณต้องการขอแนะนำให้ใช้วงจรของรูปที่ 7

วงจรออสซิลเลเตอร์คริสตัลที่ปรับค่า 100 kHz

ข้อเสนอแนะถูกควบคุมโดยการแตะตามโหลดตัวรวบรวมของ Q1 การ จำกัด แอมพลิจูดเป็นสิ่งสำคัญในการรักษาการกระจายของคริสตัลภายในขอบเขต สำหรับคริสตัล 50 kHz ขดลวดต้องมีขนาด 2 mH และตัวเก็บประจุแบบเรโซแนนซ์ 0.01 uF เอาต์พุตอยู่ที่ประมาณ 0.5 V rms โดยพื้นฐานแล้วเป็นคลื่นไซน์

แนะนำให้ใช้บัฟเฟอร์ผู้ติดตามตัวปล่อยหรือผู้ติดตามต้นทาง

ในกรณีที่ใช้คริสตัลโหมดขนานตัวเก็บประจุ 1000 pF ที่ระบุในซีรีส์ด้วยคริสตัลจะต้องเปลี่ยนเป็นความจุโหลดที่เลือกของคริสตัล (โดยทั่วไปคือ 30, 50 ถึง 100 pF สำหรับคริสตัลประเภทนี้)

วงจร HF CRYSTAL OSCILLATOR

การออกแบบโซลิดสเตทสำหรับคริสตัล HF ที่ตัดด้วย AT ที่รู้จักกันดีมักจะเป็นแบบพยุหะ แต่ผลลัพธ์ไม่จำเป็นต้องเป็นอย่างที่คุณคาดหวัง โดยทั่วไปแล้วคริสตัลที่จำเป็นส่วนใหญ่ถึง 20 MHZ จะถูกเลือกสำหรับการทำงานในโหมดขนาน

อย่างไรก็ตามคริสตัลชนิดนี้สามารถใช้ในออสซิลเลเตอร์โหมดอนุกรมได้โดยการวางตำแหน่งความจุโหลดที่ต้องการในอนุกรมกับคริสตัลตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้ วงจรสองประเภทจะกล่าวถึงด้านล่าง

ออสซิลเลเตอร์ที่ดีสำหรับช่วง 3 ถึง 10 MHz ที่ไม่ต้องการวงจรที่ปรับจูนจะแสดงในรูปที่ 8 (a) เป็นไปตามธรรมชาติวงจรเดียวกันกับรูปที่ 6 วงจรทำงานได้ดีมากถึง 1 MHz เมื่อ C1 และ C2 สูงกว่า 470 pF และ 820 pF ตามลำดับ อาจใช้ถึง 15 MHz ในกรณีที่ C1 และ C2 ลดลงเหลือ 120 pF และ 330 pF ตามลำดับ

วงจรออสซิลเลเตอร์แบบขนาน

วงจรนี้เหมาะสำหรับวัตถุประสงค์ที่ไม่สำคัญซึ่งต้องการเอาต์พุตฮาร์มอนิกขนาดใหญ่หรือไม่ใช่ตัวเลือก การรวมวงจรที่ปรับแล้วใน 8b จะช่วยลดเอาต์พุตฮาร์มอนิกลงอย่างมาก

โดยปกติแนะนำให้ใช้วงจรที่ปรับแล้วซึ่งมี Q มาก ในออสซิลเลเตอร์ 6 MHz เราได้รับผลลัพธ์ด้านล่าง การมีขดลวด Q เท่ากับ 50 ฮาร์มอนิกที่ 2 อยู่ที่ 35 dB จนสุด

มี Q 160 มันเป็น -50 dB! ตัวต้านทาน Rf สามารถเปลี่ยนแปลงได้ (เพิ่มขึ้นเล็กน้อย) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพนี้ เอาต์พุตเพิ่มขึ้นโดยใช้ขดลวด Q สูง

ตามที่เคยสังเกตมาก่อนหน้านี้การตอบรับที่ลดลงต้องใช้เวลาหลายสิบวินาทีเพื่อให้ได้เอาต์พุต 100% จากการเปิดเครื่องแม้กระนั้นความเสถียรของความถี่ก็ยอดเยี่ยม

การทำงานที่ความถี่ต่างกันสามารถทำได้โดยการปรับตัวเก็บประจุและขดลวดอย่างมีประสิทธิภาพ

วงจรนี้ (รูปที่ 8) ยังสามารถเปลี่ยนเป็น VXO ที่มีประโยชน์อย่างยิ่ง ความเหนี่ยวนำขนาดเล็กถูกกำหนดเป็นอนุกรมด้วยคริสตัลและหนึ่งในตัวเก็บประจุภายในวงจรป้อนกลับถูกใช้เป็นประเภทตัวแปร

ตัวเก็บประจุปรับจูนเครื่องส่งสัญญาณ 10-415 pF แบบสองแก๊งทั่วไปจะทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบ แต่ละแก๊งจะถูกรวมเข้าด้วยกัน

ออสซิลเลเตอร์ความถี่ตัวแปร VXO

ช่วงการปรับแต่งจะถูกกำหนดโดยคริสตัลความเหนี่ยวนำของ L1 และความถี่ โดยทั่วไปสามารถเข้าถึงช่วงที่ใหญ่กว่าได้โดยใช้คริสตัลความถี่สูงกว่า ความเสถียรดีมากโดยเข้าใกล้คริสตัล

VHF OSCILLATOR-MULTIPLIER

วงจรในรูปที่ 10 เป็นออสซิลเลเตอร์ 'อิมพีแดนซ์อินเวอร์เตอร์' โอเวอร์โทนที่ได้รับการแก้ไขแล้ว โดยทั่วไปแล้วการใช้วงจรกลับด้านอิมพีแดนซ์ตัวเก็บรวบรวมจะไม่ถูกต่อหรือต่อสายดินสำหรับ RF

ตัวเก็บรวบรวมสามารถปรับให้เป็นสองเท่าหรือ 3 เท่าของความถี่คริสตัลเพื่อลดเอาต์พุตที่ความถี่คริสตัลให้น้อยที่สุดจึงเสนอวงจรที่ปรับค่า 2x

คุณไม่ควรปรับตัวสะสมไปที่ความถี่คริสตัลมิฉะนั้นวงจรอาจสั่นด้วยความถี่ซึ่งอาจอยู่นอกเหนือการควบคุมของคริสตัล คุณต้องรักษาตะกั่วสะสมให้เล็กมากและตัวต่อตัวให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้

ผลลัพธ์สุดท้ายโดยใช้วงจรประเภทนี้ดีมาก เอาต์พุตทั้งหมดที่นอกเหนือจากเอาต์พุตที่ต้องการนั้นอยู่ที่ -60 dB หรือสูงกว่า

การผลิตสัญญาณรบกวนถึงอย่างน้อย 70 dB ภายใต้เอาต์พุตที่ต้องการ สิ่งนี้สร้างออสซิลเลเตอร์การแปลงที่โดดเด่นสำหรับตัวแปลง VHF / UHF

สามารถรับ RF ได้ 2 V บนขั้วร้อนของ L3 (ต้นฉบับของผู้เขียนที่ 30 MHz) แนะนำอย่างยิ่งให้ใช้วัสดุที่ควบคุมโดย Zener

ตามที่ระบุไว้ในแผนภาพค่าวงจรต่างๆมีความจำเป็นสำหรับทรานซิสเตอร์ชนิดต่างๆ โครงร่างที่เฉพาะเจาะจงอาจต้องมีการปรับเปลี่ยน L1 อาจใช้เพื่อเคลื่อนย้ายคริสตัลตามความถี่ การปรับเปลี่ยนความถี่เล็กน้อย (ประมาณ 1 ppm) จะเกิดขึ้นในขณะที่ปรับ L2 และ L3 รวมทั้งใช้รูปแบบการโหลด ต้องบอกว่าในการทดสอบจริงสิ่งเหล่านี้อาจไม่มีนัยสำคัญ




ก่อนหน้านี้: พารามิเตอร์แผ่นข้อมูลเปรียบเทียบ ถัดไป: วิธีการต่อโมดูลเซ็นเซอร์ก๊าซ MQ-135 อย่างถูกต้อง