Memahami Rangkaian Osilator Kristal

Konfigurasi rangkaian osilator kristal solid state dasar saat ini lebih berkembang, hampir semua rangkaian merupakan modifikasi dari sistem tabung vakum yang dikenal luas seperti osilator Pierce, Hartley, Clapp dan Butler dan bekerja dengan perangkat bipolar dan FET.

Meskipun semua sirkuit ini pada dasarnya memenuhi tujuan yang dirancang, ada banyak aplikasi yang membutuhkan sesuatu yang sama sekali berbeda atau di mana fungsionalitas perlu dijelaskan secara akurat.

Di bawah ini adalah rangkaian rangkaian, untuk berbagai aplikasi langsung dari LF hingga rangkaian VHF, yang biasanya tidak terlihat dalam penggunaan atau buku amatir yang ada.

Teknik rangkaian osilator kristal solid state dasar sekarang sudah mapan, sebagian besar rangkaian merupakan adaptasi dari teknologi tabung vakum terkenal seperti osilator Pierce, Hartley, Clapp dan Butler dan menggunakan perangkat bipolar dan FET.

Sementara rangkaian ini pada dasarnya memenuhi tujuan yang dimaksudkan, ada banyak aplikasi yang memerlukan sesuatu yang berbeda atau di mana kinerja perlu dicirikan dengan andal.

Yang disajikan di sini adalah berbagai sirkuit, untuk berbagai aplikasi dari LF hingga rentang VHF, yang tidak umum ditemukan dalam penggunaan atau literatur amatir saat ini.

CARA OPERASI

Satu hal yang jarang dihargai, atau diabaikan, adalah fakta bahwa kristal kuarsa dapat berosilasi dalam mode resonansi paralel dan mode resonansi seri. Kedua frekuensi tersebut dipisahkan dengan perbedaan kecil, biasanya 2-15 kHz di atas rentang frekuensi.

Frekuensi resonansi seri lebih kecil dalam frekuensi dibandingkan dengan paralel.

Kristal khusus yang dirancang untuk digunakan dalam mode paralel dapat diterapkan dengan tepat dalam rangkaian resonansi seri jika kapasitor yang besarnya setara dengan kapasitansi beban pastinya (biasanya 20,30, 50 atau 100 pF) dipasang secara seri dengan kristal.

Sayangnya, tidak mungkin membalikkan tugas untuk kristal resonan seri di sirkuit mode paralel. Kristal mode seri mungkin akan berosilasi melebihi frekuensi yang dikalibrasi dalam situasinya dan mungkin tidak layak untuk memuatnya secara kapasitif dengan cukup.

Kristal overtone berjalan dalam mode seri umumnya pada nada ketiga, kelima atau ketujuh, dan pabrikan biasanya mengkalibrasi kristal dalam frekuensi nada tambahan.

Menjalankan kristal dalam mode paralel dan mengalikan frekuensi 3 atau 5 kali menghasilkan hasil yang agak baru dengan mengoperasikan kristal yang persis sama dalam mode seri pada nada ke-3 atau ke-5.

Saat membeli kristal nada tinggi, menjauhlah dari dilema dan identifikasi frekuensi yang Anda inginkan, bukan frekuensi fundamental yang tampak.

Kristal fundamental dalam kisaran 500 kHz hingga 20 MHz umumnya dibangun untuk fungsi mode paralel namun operasi mode seri dapat diminta.

Untuk kristal frekuensi rendah hingga 1 MHz, mode mana pun dapat dipilih. Kristal overone biasanya mencakup rentang 15 MHz hingga 150 MHz.

RANGE LEBAR atau OSILATOR APERIODIK

Osilator yang tidak pernah menggunakan sirkuit yang disetel seringkali sangat berguna, baik sebagai 'pemeriksa kristal' atau alasan lain. Khusus untuk kristal LF, sirkuit yang disetel bisa berukuran agak besar.

Di sisi lain, mereka biasanya bukannya tanpa jebakan sendiri. Beberapa kristal rentan terhadap osilasi pada mode yang tidak diinginkan, khususnya kristal potong DT dan CT yang ditujukan untuk osilator kuarsa LF.

Ini benar-benar ide yang baik untuk memastikan bahwa output pada frekuensi yang tepat dan tidak ada 'ketidakstabilan mode' yang terlihat. Meminimalkan umpan balik pada frekuensi yang lebih tinggi biasanya memecahkan masalah ini.

Dalam kasus khusus, teori di atas dapat dilupakan dan osilator yang memiliki rangkaian disetel diterapkan sebagai alternatif, (osilator kristal LF ditinjau setelahnya).

Sirkuit Kristal

Rangkaian pertama di bawah ini adalah osilator yang digabungkan dengan emitor, variasi dari rangkaian Butler. Output dari rangkaian pada Gambar. 1 pada dasarnya adalah gelombang sinus yang mengurangi resistor emitor Q2 meningkatkan output harmonik.

Hasilnya, kristal 100 kHz menghasilkan harmonisa yang sangat baik melalui 30 MHz. Ini adalah rangkaian mode seri.

Berbagai transistor dapat digunakan. Untuk kristal di atas 3 MHz, transistor yang memiliki produk bandwidth gain tinggi disarankan. Untuk kristal dalam rentang 50 kHz hingga 500 kHz, transistor dengan gain LF tinggi, seperti 2N3565 lebih disukai.

Selain itu, untuk kristal dalam pilihan ini, disipasi yang diizinkan biasanya lebih rendah dari 100 microwatts dan pembatasan amplitudo mungkin penting.

Pengurangan tegangan suplai, sejalan dengan start up yang efisien, disarankan. Mengubah sirkuit melalui penyertaan dioda seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3 adalah teknik yang lebih menguntungkan, dan efisiensi awal ditingkatkan.

Rangkaian ini akan berosilasi setinggi 10 MHz menggunakan transistor yang sesuai dan nilai resistor emitor. Sebuah pengikut emitor atau buffer pengikut sumber biasanya direkomendasikan.

Komentar identik untuk di atas terhubung dengan Gambar. 2. Buffer pengikut emitor digabungkan dalam rangkaian ini.

Kedua sirkuit agak sensitif terhadap frekuensi dan variasi tegangan daya dan spesifikasi beban. Disarankan memuat 1 k atau lebih tinggi.

TTL lC dapat dikombinasikan dengan rangkaian osilator kristal meskipun banyak rangkaian yang diterbitkan memiliki efisiensi awal yang buruk atau mengalami non-pengulangan karena parameter yang luas dalam lC.

Sirkuit pada Gambar 4. telah dicoba oleh penulis pada rentang 1 MHz hingga 18MHz dan akan didorong. Ini adalah osilator mode seri dan melengkapi kristal AT-cut.

Outputnya sekitar 3 V puncak ke puncak, gelombang persegi hingga sekitar 5 MHz di atasnya berubah menjadi lebih mirip dengan pulsa setengah sinus. Efisiensi penyalaan luar biasa, yang tampaknya sebagian besar merupakan faktor penting dengan osilator TTL.

OSILATOR KRISTAL FREKUENSI RENDAH

Kristal dalam kisaran 50 kHz hingga 500 kHz membutuhkan faktor-faktor khusus yang tidak terlihat pada kristal HF potong AT atau BT yang lebih umum.

Resistansi seri serupa jauh lebih besar dan disipasi yang diizinkan dibatasi hingga di bawah 100 microwatt, idealnya 50 microwatt atau lebih rendah.

Sirkuit pada Gambar. 5 adalah osilator mode seri. Ini menawarkan keuntungan karena tidak membutuhkan sirkuit yang disetel, dan memiliki pilihan output gelombang sinus atau persegi. Untuk kristal dalam spektrum 50-150 kHz, transistor 2N3565 disarankan meskipun penerbit menganggap BC107 masuk akal.

Kedua variasi tersebut mungkin cukup untuk kristal dalam kisaran 150 kHz hingga 500 kHz. Jika menurut Anda kristal memiliki resistansi seri ekivalen yang besar, maka Anda dapat meningkatkan nilai R1 menjadi 270 ohm dan R2 menjadi 3,3 k.

Untuk operasi gelombang persegi, C1 adalah 1 uF (atau mungkin besarnya berdampingan, atau lebih besar dari itu). Untuk keluaran gelombang sinus, C1 tidak ada di sirkuit.

Kontrol amplitudo tidak perlu. Keluaran gelombang sinus sekitar 1 V rms, keluaran pelepasan persegi sekitar 4 V dari puncak ke puncak.

Rangkaian pada Gambar 6 sebenarnya merupakan jenis osilator Colpitts yang direvisi, dengan dimasukkannya resistor Rf untuk mengatur umpan balik. Kapasitor C1 dan C2 harus diminimalkan melalui besaran yang dihitung saat frekuensi ditingkatkan.

Pada 500 kHz, nilai untuk C1 dan C2 harus sekitar 100 pF dan 1500 pF. Rangkaian yang terbukti menawarkan keluaran gelombang sinus menggunakan harmonik kedua sekitar 40 dB lebih rendah (atau lebih tinggi).

Ini sering diminimalkan melalui penyesuaian hati-hati pada Rf dan C1. Ingatlah bahwa, pada penurunan jumlah umpan balik sangat penting untuk mencapai ini, dibutuhkan sekitar 20 detik untuk osilator mencapai keluaran penuh.

Output sekitar 2 hingga 3 volt dari puncak ke puncak. Ketika Anda membutuhkan output yang dimuat dengan harmonisa, penyertaan kapasitor 0,1 uF yang mudah di atas resistor emitor akan mencapainya. Output kemudian meningkat menjadi sekitar 5 V dari puncak ke puncak.

Tegangan catu daya dapat diturunkan dalam kasus seperti itu untuk mengurangi disipasi kristal. Transistor lain dapat digunakan, meskipun bias dan umpan balik mungkin harus diubah. Untuk kristal kantankerus yang dirancang untuk berosilasi dalam mode selain yang Anda inginkan, rangkaian Gambar 7 sangat disarankan

Umpan balik diatur oleh keran di sepanjang beban kolektor Q1. Pengekangan amplitudo penting untuk mempertahankan disipasi kristal di dalam batas. Untuk kristal 50 kHz, kumparan harus berukuran 2 mH dan kapasitor resonannya 0,01 uF. Outputnya kira-kira 0,5 V rms, pada dasarnya adalah gelombang sinus.

Penggunaan pengikut emitor atau buffer pengikut sumber sangat dianjurkan.

Jika kristal mode paralel digunakan, kapasitor 1000 pF yang ditunjukkan secara seri dengan kristal harus diubah ke kapasitansi beban yang dipilih kristal (biasanya 30, 50 hingga 100 pF untuk jenis kristal ini).

SIRKUIT OSILATOR KRISTAL HF

Desain solid state untuk kristal AT-cut HF yang terkenal cenderung legiun. Namun, hasil belum tentu seperti yang Anda harapkan. Mayoritas kristal esensial hingga 20 MHZ biasanya dipilih untuk fungsi mode paralel.

Namun demikian, kristal jenis ini dapat digunakan dalam osilator mode seri dengan memposisikan kapasitansi beban yang diinginkan secara seri dengan kristal seperti yang dinyatakan sebelumnya. Kedua jenis rangkaian tersebut dibahas di bawah ini.

Osilator yang baik untuk rentang 3 hingga 10 MHz yang tidak memerlukan rangkaian yang disetel disajikan pada Gambar 8 (a). Ini secara alami, sirkuit yang sama seperti Gambar 6. Sirkuit ini bekerja dengan sangat baik hingga 1 MHz ketika C1 dan C2 masing-masing lebih tinggi dari 470 pF dan 820 pF. Ini dapat digunakan hingga 15 MHz jika C1 dan C2 diturunkan menjadi 120 pF dan 330 pF. masing-masing.

Sirkuit ini disarankan untuk tujuan nonkritis yang menginginkan keluaran harmonik yang besar, atau bukan opsi. Dimasukkannya sirkuit yang disetel seperti pada 8b meminimalkan keluaran harmonik secara signifikan.

Sirkuit yang disetel dengan Q substansial biasanya direkomendasikan. Dalam osilator 6 MHz, Kami telah mencapai hasil di bawah ini. Memiliki kumparan Q dari 50 harmonik ke-2 adalah 35 dB sepenuhnya ke bawah.

Memiliki Q 160, sudah -50 dB! Resistor Rf dapat diubah (tambah sedikit) untuk meningkatkan ini. Outputnya juga dinaikkan menggunakan koil Q tinggi.

Seperti yang telah diamati sebelumnya, dengan penurunan umpan balik diperlukan beberapa puluh detik untuk mencapai 100% keluaran dari hidup, meskipun demikian, stabilitas frekuensi sangat fantastis.

Berfungsi pada frekuensi yang berbeda dapat dicapai dengan mengatur kapasitor dan koil secara efektif.

Sirkuit ini (Gbr. 8) juga dapat diubah menjadi VXO yang sangat berguna. Induktansi kecil didefinisikan secara seri dengan kristal dan salah satu kapasitor dalam rangkaian umpan balik digunakan sebagai tipe variabel.

Kapasitor tuning pemancar 10-415 pF dua-gang yang umum akan melakukan tugas dengan sempurna. Setiap geng terhubung secara paralel.

Kisaran tuning ditentukan oleh kristal, induktansi L1 dan frekuensi. Kisaran yang lebih besar umumnya dapat diakses menggunakan kristal frekuensi yang lebih tinggi. Stabilitas sangat baik, mendekati kristal.

MULTIPLIER OSILATOR VHF

Rangkaian pada Gambar 10 adalah versi modifikasi dari osilator nada 'pembalik impedansi'. Biasanya, menerapkan rangkaian pembalik impedansi, kolektor tidak di-ununed atau diarde untuk RF.

Kolektor dapat disetel hingga dua kali atau 3 kali frekuensi kristal untuk meminimalkan keluaran pada frekuensi kristal, sirkuit yang disetel 2x diusulkan.

ANDA TIDAK PERNAH menyetel kolektor ke frekuensi kristal, atau rangkaian dapat berosilasi dengan frekuensi yang mungkin berada di luar kendali kristal. Anda harus menjaga timbal kolektor sangat kecil dan satu lawan satu sebanyak yang Anda bisa.

Hasil akhir menggunakan sirkuit jenis ini sangat bagus. Hampir semua output selain output yang diinginkan adalah -60 dB atau lebih tinggi.

Produksi kebisingan mencapai setidaknya 70 dB di bawah output yang diinginkan. Ini menciptakan osilator konversi yang luar biasa untuk konverter VHF / UHF.

Praktis 2 V RF dapat diperoleh pada terminal panas L3 (asli penulis pada 30 MHz). Suplai yang diatur oleh Zener sangat disarankan.

Seperti yang ditunjukkan dalam diagram, berbagai nilai sirkuit sangat penting untuk berbagai transistor. Stray dalam struktur tertentu juga memerlukan modifikasi. L1 dapat digunakan untuk memindahkan kristal pada frekuensi. Modifikasi kecil dalam frekuensi (sekitar 1 ppm) terjadi saat menyesuaikan L2 dan L3 serta menggunakan variasi beban. Karena itu, dalam pengujian nyata, hal-hal ini bisa jadi tidak signifikan.