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无线电电子与电气工程百科全书 谐波石英振荡器。 无线电电子电气工程百科全书
使用作者[1, 2]的无环石英振荡器（CG）方案，不仅可以产生石英的一次（基波）谐波，还可以产生三次谐波。 同时，有趣的是，在这些电路中，专门为产生谐波（所谓的谐波）而设计的石英和普通石英都工作在三次谐波。 然而，上述电路还远远没有穷尽无环泛音石英振荡器的电路，图 1 中显示了基于双极晶体管的此类发生器系列中的另一个电路。 1. 这样的 CH 比 [2, XNUMX] 中的方案更简单。 乍一看，该电路看起来很像众所周知的电容式“三点”电路，但它与“经典”电路有所不同。 与“经典”KG 电路相比，该发生器缺少一个反馈电容器（位于晶体管的基极和发射极之间）。 除了减少元件数量外，该电路还有其他优点：“Classic”KG 专门生成石英的一次谐波。 在许多实验中，作者从未能够获得三次（机械）谐波的产生。 图1所示的电路具有足够小的电容C3（通常为几十皮法），很容易在石英的三次谐波处启动。 同时，随着电容C3的增大，KG输出的射频电压的电平逐渐降低（产生的振荡频率也略有降低数十至数百赫兹）。 在这种情况下产生的振荡的幅度再次增加。
随着 C3 的更大增加，振荡幅度逐渐减小，同时频率也略有下降，最后，在足够大的电容 C3 下（例如，石英在 27 MHz 频率下为几个纳法）， KG 振荡消失。 随着电容 C3 的增加，CG 中发生的现象如图 2 所示。 XNUMX.
结果表明，在一次谐波（对于“谐波”石英）产生期间 KG 的输出电压幅度大于在三次谐波（对于相同石英）产生期间的输出电压幅度。 因此，在图中。 图2显示了最一般的情况，此时石英可以在第一和第三机械谐波下产生。 有时（非常罕见）仍然有石英仅在第一次谐波时产生。 在这种情况下，如图所示。 如图2所示，仅保留一个峰值（右），而左峰值和二频振荡区域消失。 为了观察电容 C3 变化时 KG 频率的“跳跃”，需要通过良好的缓冲级将射频示波器和频率计连接到 KG（输入电阻大于 10 kΩ，输入电容不大于 XNUMX kΩ）。比几个皮法）。 C3 使用 KPI (12 ... 495 pF)，它直接或通过小电容（几十皮法）包含在 KG 电路中。 KPI 通过尽可能短的粗非绝缘电线连接到 KG 板。 但从实际使用的角度来看，如图所示的方案。 3.在这种情况下，对缓冲级的要求显着降低。 然而，即使当这样的KG电路用作接收器或收发器的一部分时，缓冲级（至少是最简单的）仍然是可取的。 还需要稳定上述KG电路的供电。 应特别注意电路中的电阻值（图1和图3）：它们不能在大范围内改变。 因此，对于如图所示的KG方案1 在电源电压为 9 ... 12 V 时，必须满足以下条件： R1=R2=20*R3； R3 = 470...2000 欧姆 (1) 公斤根据图。 3 在相同的电源电压下需要以下条件： R1 \u2d R20 \u4d 3 * R4 (在 RXNUMX "RXNUMX); R4 = 470.. 2000 欧姆，(2) или R1 = 20*R4； R2 = 10*R4（R3 ~= R4）； R4 = 470...2000 欧姆； R3 <= 1000 欧姆。 (3) 仅当满足条件（1）、（2）或（3）时，CG方案才会如上述那样运行。 偏置电阻器的选择是根据[3]中的建议进行的。 KG（图3）的输出阻抗几乎等于R3。
此类 CG 的缓冲阶段的使用方式与 [2] 中相同。 但是，您应该始终记住，缓冲级可以区分（并且在某些情况下积分）输入信号，这会导致正弦信号的波形失真。 上述 KG 方案可推荐在业余无线电设计中广泛使用。 根据作者的说法，图 3 中的图表特别成功。 50，具有 1 欧姆射频输出（额定值 R2=R10=3 kOhm，R51=XNUMX 欧姆）。 根据分类 [5]，这些 KG 方案是“双点”，能够在石英的一次和三次谐波上运行。 例如，根据图169的方案中的石英RK-3。 3（R51=27411 Ohm）在 C3=51 pF 时产生频率为 9142,42 kHz，在 C3=330 pF 时产生频率为 27,41 kHz，而石英体上指示的频率为 XNUMX MHz。 现在考虑作者在原型基础上设计的发电机——皮尔斯发电机，它是通过电容器C2和C4进行电容耦合的发电机（图4）。
石英谐振器在皮尔斯振荡器中工作时具有感抗，因此这种振荡器工作在石英谐振的串联fs和并联fp的频率之间的频率范围内。 根据[4]，该发生器中的石英以接近fp的频率产生，然而，在[6]中注意到，产生频率更接近fs而不是fp。 在这方面，将此类 CG 分为串联和并联谐振发生器并不完全成功，因为生成的频率取决于电路中包含的电抗值（例如，在图 5 中，这些是 C2 和 C4） ）。
上图。 4个电阻R1和R2组成分压器，为晶体管VT1的基极产生必要的偏置电压。 为了获得工作点的高温稳定性，使用了直流R3-C3的OOS电路。 电容C1、C3为隔直电容，容量足够的话，不会影响KG的频率。 同时，电容器C2和C4直接参与振荡的产生，频率取决于它们的电容。 电感器L1的无功（感性）电阻非常大（远大于电容器C2、C4和石英ZQ1的电抗），因此电感器L1在Pierce KG电路中的作用被简化为仅用于分离直流电。和射频电流。 因此，L1 可以用其他电流源（甚至是电阻）代替。 应当特别注意的是，在某些情况下使用此类扼流圈（尤其是具有高品质因数 Q）可能会导致发生器根本不在石英频率下激励。 油门的引入降低了CG的可靠性，因此如果可能的话最好放弃它。 CG的工作原理图如图5所示。 2. 选择足够小的电容器C3=C2的电容，我们得到石英的三次谐波的产生。 随着这些电容的增加，图 XNUMX 所示的模式会出现。 XNUMX，并且对于这些电容的足够大的值，我们获得了石英的一次谐波的产生。 在晶体管VT2和VT3上做了一个缓冲级，它是一个依次连接的射极跟随器。 电阻器R3和R7是抗寄生电阻，它们用于增加缓冲级的稳定性。 如果我们接受 С2=С3，那么当 KG 在三次谐波下工作时，这些电容可以由表达式确定 C2 \u3d CXNUMX \uXNUMXd L, (pF) 其中 L 是三次谐波的波长，m。 为了在一次谐波下可靠运行，这些电容必须选择 3 倍，最好是 5 倍大。 上图。 图 6 显示了具有高输入电阻的电压表的射频连接图，借助该电压表并使用校准曲线，确定了 VT1 集电极处的射频电压（图 5）。 前缀在直流电压测量模式下连接高阻（RBX>1MΩ）电压表。
表 46,516 列出了其中一种谐波石英 (1 MHz) 获得的数据。 从表中可以看出，对于频率为50 MHz左右的石英来说，电路板和晶体管本身具有的那些能力就足够了。 对于 27 MHz 的石英，在没有 C2 和 C3 的情况下没有观察到三次谐波的产生。
用于构建石英振荡器 (CG) 的双极晶体管 (BT) 的特点是电极之间具有足够大的电容（Cbe、CKg、Cke），这是晶体管本身固有的。 我们将它们称为晶体管的内部电容，由于BT的内部电容很大，KG对这些晶体管的操作已经不仅取决于电容器的电容，还取决于BT的内部电容。 。 具有一个或两个绝缘栅极的微波场效应晶体管（FET）的内部电容非常小，比 RF BT 的内部电容小一个数量级（甚至更多）。 因此，微波 FET 上 KG 的工作主要仅由电容器的电容以及装置的寄生电容决定。 所提出的 FET 上的 KG 电路（图 7）是在源极跟随器的基础上制作的。 由于目前使用最广泛的微波 FET 具有两个绝缘栅极，并且为了比较 KG 在双极晶体管和场效应晶体管上的操作，需要单栅极 FET，这样的 FET 是从双栅极 FET 获得的：将其大门连接在一起。 鉴于所使用的微波 FET 的工作频率范围高达几千兆赫，因此它们非常容易自激（板上的印刷迹线“工作”为一种微波电路）。
为了消除自激，作者使用了低阻值的抗寄生SMD电阻，电阻值是根据经验选择的（图7中为R3和R4）。 这种SMD电阻被焊接到FET端子上，并缩短到安装时的最小长度，为了消除测量时KG频率的偏差，在其上连接了源极跟随器和射极跟随器串联的缓冲级。 微波 FET 上所研究的 CG 的完整方案如图 8 所示。 5. 该缓冲级比 HF BT 上的缓冲级具有更好的性能（图 XNUMX）。
乍一看，BT 和 PT 的 CG 电路在工作原理上是相同的（两种电路都基于宽带电压跟随器），但实验表明它们的行为不同。 在BT上的CG（图1）中，晶体管发射极电路中的电容器具有一定的（小）电容，会产生三次谐波。 随着电容器电容的增加，石英的相同谐波仍会产生。 并且只有当指定电容器的电容进一步增加时，发生器才会进入复杂振荡区域。 通常在电容器电容（分数...皮法单位）的相当窄的变化范围内观察到复杂振荡的区域。 在同一区域内，存在输出电压的峰值（最大值）。 电容器电容的进一步增加导致产生石英的第一机械谐波。 在微波 FET 上的 CG 中，当使用足够低频的石英（例如，具有约 9 MHz 的第一机械谐波）时，根本观察不到上述状态的变化，这可以用第一近似来解释通过 FET 非常小的内部电容。 为了测试这个假设，借助一个专门包含的电容器（6,8 pF），如图 7 所示。 8和2为Szi，人为地增加了晶体管相应的电容，这使得KG对BT和PT的操作具有可比性。 表 3 列出了不带电容器的 FET 上的 KG 数据（频率和输出电压）。 在表中。 图6,8显示了安装了电容为27668 pF的附加电容器时的数据。 在本例中，使用相同的石英 (1 kHz)，以及电阻器 R2=R20=XNUMX kOhm。 安装额外的电容器 Czi 后，所考虑的 KG 的行为开始与 BT 上的 KG 类似。 如果 FET 上的 KG 与高频石英（例如，第一机械谐波约为 15 MHz 的石英）一起工作，则 FET (Czi) 本身的内部电容已经足够 KG 的正常运行。 表中列出了高频石英的 CG 数据。 4（46,516 MHz）。 在这种情况下，R1→R2→20 kOhm。 频率和输出电压与表中 C3 值的相关性。 图2和图3以图形方式呈现。 9 和 10 以及表中的结果。 4 - 图中。 十一。
注： 1 在 C3=20 pf 时，存在一个双频振荡区域。 2 如果 R1=R2=1 MΩ，则仅在 15,52 MHz 频率下产生 振荡器的晶体管和所有考虑的 KG 电路的缓冲级都在 RF 信号的显着电平下运行，因此会引入显着的非线性失真。 在 KG 的输出处，还存在具有显着水平的信号电谐波。 这些谐波的频率比基频（即一次谐波）大整数倍。 例如，当石英以 9 MHz 的频率运行时，KG 的输出处也会出现 18、27、36、45 MHz 等频率。 然而，通常，这些高次谐波比一次谐波弱一个数量级或更弱。 石英的机械谐波并不完全是彼此的整数倍。 因此，石英的第一和第三机械谐波的频率将相差不等于三。 利用石英机械谐波的这一特征，可以区分机械谐波本身和电谐波。 例如，使用表1中的数据，我们获得频率比 f3/f1 = (46518,46+46518,15)*2/(2*(15516,82+15513,54))=46518,3/15515,18=2,998 (4) 根据[9]，基于机械谐波的谐振器的频率由以下表达式确定 fn = n(1 -Yn)*f1, (5) 其中 fn 是石英第 n 次机械谐波的频率，n 是相应谐波的数量（在本例中为奇数），f1 是石英第 3 次机械谐波的频率，Yn 是校正因子，取决于谐波数。 例如，Y0,001=9 [5] 因此，三次机械谐波的表达式 (XNUMX) 的形式为： f3=3*(1-0,001)*f1, (6) 从哪里来 f3/f1 = 3*(1 -0,001) = 2,997 (7) 由于表达式（4）和（7）的数值实际上一致，因此我们可以说在发生器中可以以石英的第一和第三机械谐波发电。 复杂振荡区域（图 2）存在于上述所有 KG 电路中，可以通过将示波器连接到 KG 输出来检测。 在屏幕上观察到一幅复杂的图像，与通常的正弦曲线相去甚远。 在复合振荡区，一次机械谐波和三次机械谐波同时存在，相应电容器（C3）电容增大，导致三次谐波幅值减小，一次机械谐波幅值增大。 。 在所有考虑的 CG 中，当产生第一个机械谐波时，输出电压会比产生第三个谐波时的输出电压稍高。 第一机械谐波频率的振荡总是比第三机械谐波频率的振荡“更强”，因此，随着“控制”电容的增加，KG 的输出电压在双频振荡区域中增加。 “电容器（C3）。 相反，在二频振荡区域之外的“控制”电容器的电容增加会导致发生器的输出电压降低。 观察到的 BT 和 FET 上 CG 的操作差异，以及在使用足够低频石英的情况下 PT 上 CG 的异常操作，是由于Cbe 代表 BT，Czi 代表 PT (Cbe "Czi)。如果我们通过在 FET 的栅极和源极之间连接一个附加电容 Cdop (Cdop ~= Szi) 来比较 Cbe 和 Czi，则 BT 上的 KG 和FET 开始表现大致相同。由于上面讨论的所有 KG 电路都在石英的第一和第三机械谐波上运行，因此可以使用等效石英电路进行分析，如图 12 所示。
使用这样的石英电路，可以根据图 13 表示 FET 振荡器的等效电路。 XNUMX.
除了石英本身之外，所有考虑的 KG 方案都不包含任何振荡（谐振）电路。 通过基本上仅选择“控制”电容器的电容，这极大地简化了此类谐波CG的制造和调谐。 文学
作者：V.Artemenko，UT5UDJ，基辅
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