Как сделать кварцевый генератор
Кварцевый генератор принцип работы
Что такое кварцевый генератор, принцип работы и схемы
Что такое кварц
Кварц – это один из самых распространенных минералов в земной коре. Его доля составляет около 60%. Если полупроводниковые радиокомпоненты в основном делают из кремния, то кварц также состоит из кремния но в связке с кислородом. Его формула SiO2.
Выглядит он примерно вот так:
Ну прямо сокровище какое-то!
Но сокровище спрятано не в самом кварце, а в том, каким свойством он обладает. И этот эффект кварца сделал революцию в прецизионной (точной) электронике…
Существует также и обратный эффект, то есть при подаче напряжения мы можем деформировать эти кристаллы. Невооруженным глазом это практически не заметно. Такой эффект называется пьезоэффектом, а вещества – пьезоэлектриками.
ЭДС возникает только в процессе сжатия или растяжения.
Кварцевый резонатор
Резонатор – (от лат. resono – звучу в ответ, откликаюсь) – это система, которая способна совершать колебания с максимальной амплитудой, то есть резонировать, при воздействии внешней силы определенной частоты и формы. Это радиоэлемент, который способен резонировать, если на него подать переменный ток определенной частоты и формы.
Кварцевые резонаторы выглядят в основном вот так:
Разобрав кварцевый резонатор, можно увидеть кристалл кварца.
Прозрачный кристалл кварца, размещенный между двумя металлическими пластинками, к которым подпаяны выводы самого кварца.
Чем больше толщина пластинки, тем ниже рабочая частота кварца. Поэтому, самые высокие частоты, на которые делают кварцы, составляет не более 50 Мегагерц, так как пластинка получается очень тонкая, что создает трудности при ее изготовлении. Да и держать ее как-то надо в корпусе, не поломав. По идее, можно выжать из кварца частоту и до 200 Мегагерц, но работать такой кварц будет на обертоне.
Что такое обертоны
Обертоны, или как еще их называют, моды или гармоники – это кратные частоты, выше основной частоты кварца. С помощью фильтров гасят основную частоту кварца и выделяют обертон. В кварцевом резонаторе в режиме обертонов используют нечетные обертоны. Если основная частота кварца F – это первый обертон, то его рабочие обертоны будут как 3F, 5F, 7F, 9F. Стоит также отметить, что амплитуда обертона убывает с ростом его частоты, поэтому далее 9 обертона смысла брать уже нет, так как выделять амплитуду маленького сигнала очень трудно.
Пример: возьмем кварц с частотой в 10 Мегагерц. Тогда мы можем возбудить его на обертонах в 30 Мегагерц (третий обертон), в 50 Мегагерц (пятый обертон), в 70 Мегагерц (седьмой обертон) и максимум в 90 Мегагерц (девятый обертон).
Чтобы хоть как-то понять, что такое обертоны, для примера послушайте основную частоту 110 Герц и ее обертоны.
Схема, которая возбуждает кварц на обертонах, сложная и не очень надежная, так как во-первых, надо “давить” главную частоту кварца и выделять обертон, а во-вторых, кварц может возбудиться в режиме случайных колебаний. На практике все-таки делают схемы с умножением главной частоты кварца, что намного проще и надежнее.
Обозначение кварца на схеме
Кварц является диэлектриком. Если тонкий диэлектрик разместить между двумя металлическими пластинами, то получится конденсатор маленькой ёмкости, измерить которую не получится. На схемах кварц показывают в виде прямоугольного кусочка кристалла между двумя пластинками конденсатора:
Принцип работы кварца
Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора, надо рассмотреть его эквивалентную схему:
С – это собственно емкость между обкладками конденсатора. То есть если убрать кристалл кварца, то останутся две пластины и их выводы. Именно они и обладают этой емкостью.
L1 – это динамическая индуктивность кристалла. Она может достигать несколько тысяч Генри!
R1 – динамическое сопротивление, при работе кварца может достигать от нескольких Ом и до нескольких КилоОм
Можно заметить, что С1, L1 и R1 образуют последовательный колебательный контур, который обладает своей резонансной частотой.
Принцип работы кварцевого резонатора такой: если к обкладкам кварцевого резонатора подвести переменное напряжение, то его пластинка начнет колебаться с частотой подведенного напряжения. Если подведенная частота будет совпадать с собственной резонансной частотой колебания кварца, то наступит резонанс. Напряжение на обкладка кварца резко возрастает. В этом случае кварцевый резонатор ведет себя, как настроенный на определенную частоту колебательный контур с очень высокой добротностью.
Каждый кварц имеет разные частоты последовательного и параллельного резонанса. Если мы видим на кварце вот такую надпись
это говорит нам о том, что на частоте последовательного резонанса мы можем возбудить этот кварц на частоте 8 Мегагерц. В основном кварц работает на частоте последовательного резонанса. Здесь также есть еще одно правило: если частота маркируется в целых числах в Килогерцах – это работа на основной гармонике, а если в Мегагерцах через запятую – это обертонная гармоника. Например: РГ-05-18000кГц – резонатор для работы на основной частоте, а РГ-05-27,465МГц – для работы на 3-ем обертоне.
Кварцевые генераторы: схема, принцип работы, резонатор
Основу кварцевых генераторов составляют кварцевые резонаторы.
Кварцевый резонатор
Это пластинка кварца, закрепленная определенным образом в кварцедержателе и представляющая собой электромеханическую колебательную систему. Эти резонаторы относятся к пьезоэлектрическим элементам, принцип действия которых основан на использовании прямого и обратного пьезоэффекта.
Прямой пьезоэффект
Он состоит в том, что механическая нагрузка на материал элемента вызывает появление электрического напряжения между соответствующими поверхностями элемента.
Обратный пьезоэффект
Электрическое напряжение между соответствующими поверхностями элемента, создаваемое с помощью внешнего источника напряжения, вызывает появление механических напряжений, которые могут изменять форму и размеры элемента.
Кварцевые резонаторы изготавливают из природного и искусственного монокристаллического кварца. Из заготовки вырезают пластины, грани которых определенным образом ориентированы относительно кристаллографических осей монокристалла. В рабочем режиме на обкладках пластины имеется переменное напряжение, и имеют место механические колебания пластины. Используются колебания сжатия-растяжения, изгиба, кручения и другие.
При анализе схемы с кварцевым резонатором (рис. 2.69, а) его удобно заменять эквивалентной схемой, представленной на рис 2.69, б.
Именно эта схема кварцевого резонатора используется в пакете программ «PSpice» для моделирования электронных схем. В эквивалентной схеме могут иметь место и параллельный, и последовательный резонанс. На практике используют оба вида резонанса.
На частоте последовательного резонанса ωk= 1/(Lk·Ck)1/2резонатор имеет минимальное сопротивление Rk.Частота параллельного резонанса ω0 ≈ 1/ [ Lk · Ck· C0 / ( Ck+ C0 ) ]1/2.
В диапазоне частот между ωk и ω0 резонатор ведет себя как некоторая индуктивность.
Кварцевые резонаторы характеризуются высокой стабильностью и добротностью (Qk= 104 − 105). Использование кварцевых резонаторов позволяет снизить относительное изменение частоты генераторов до очень малых значений (10−6 − 10−9).
Приведем для примера упрощенную схему кварцевого генератора на основе операционного усилителя при использовании последовательного резонанса (рис. 2.70).
На частоте последовательного резонанса в схеме имеет место сильная положительная обратная связь, что и поддерживает автоколебания.
Что такое кварцевый резонатор и как он работает?
Кварцевый резонатор является электронным прибором, построенным на пьезоэффекте, а также механическом резонансе. Применяется радиостанциями, где задает несущую частоту, в часах и таймерах, фиксируя в них интервал в 1 секунду.
Сфера применения
Преимущества
Недостатки
Принцип работы кварцевого резонатора
Работает прибор на основе пьезоэффекта, проявляющегося на пластинке из кварца, причем низкотемпературного. Элемент вырезают из цельного кристалла кварца, соблюдая задаваемый угол. Последний определяет электрохимические параметры резонатора.
Пластинки с обеих сторон покрывают слоем серебра (подходит платина, никель, золото). Затем их прочно фиксируют в корпусе, который герметизируется. Устройство представляет колебательную систему, которая обладает собственной резонансной частотой.
Когда электроды подвергаются переменному напряжению, пластинка из кварца, обладающая пьезоэлектрическим свойством, изгибается, сжимается, сдвигается (зависит от типа обработки кристалла). Одновременно в ней появляется противо-ЭДС, как это происходит в катушке индуктивности, находящейся в колебательном контуре.
Когда подается напряжение с частотой, совпадающей с собственными колебаниями пластинки, то в устройстве наблюдается резонанс. Одновременно:
Энергия, которая необходима для поддержания колебаний, в случае равенства частот низкая.
Обозначение кварцевого резонатора на электрической схеме
Как проверить кварцевый резонатор
Проверка резонатора на работоспособность требует наличия тестера. Его собирают по схеме на основе транзистора КТ3102, 5 конденсаторов и 2 резисторов (устройство подобно кварцевому генератору, собранному на транзисторе).
Схемой пользуются при настройке контура колебаний. Когда резонатор исправный, он при подключении выдает колебания, которые приводят к появлению переменного напряжения на эмиттере транзистора. Причем частота напряжения совпадает с аналогичной характеристикой резонатора.
Кварцевый генератор
Прежде чем переходить к практическим схемам, отметим, что для широко распространенных кварцев основная рабочая частота обычно не превышает 10…15 МГц. Обусловлено это трудностями в изготовлении (при серийном производстве) очень тонких кварцевых пластин с высокой степенью параллельности рабочих сторон. Последнее, в частности, сильно влияет на моночастотность резонатора (отсутствие паразитных резонансов, особенно вблизи основной рабочей частоты).
Применительно кварцевый генератор наличие таких резонансов может привести к возбуждению резонатора не на той частоте, что указана на его корпусе, или к скачку частоты генератора при изменении внешних условий (температура, сопротивление нагрузки и т.п.). Если частота, указанная на корпусе кварцевого резонатора, выше 15 МГц, то с высокой степенью вероятности этот резонатор гармониковый, и его основная частота в три или даже в пять раз ниже “номинала”.
В кварцевый генератор, схема которого показана на рисунке, кварцевый резонатор возбуждается на основной частоте. Для его устойчивой работы сопротивление нагрузки (входное сопротивление следующего каскада) должно быть не менее 1 кОм. При этом высокочастотное напряжение на выходе генератора будет не менее 0,5 В (здесь и далее – эффективное значение). Номиналы конденсаторов С3, С4 и резистора R4 зависят от рабочей частоты кварцевого резонатора. Для полосы частот 1…3 МГц они должны быть соответственно 270 пФ, 180 пФ и 3,3 кОм; для 3…6 МГц – 180 пФ, 120 пФ и 3,3 кОм; для 6…10 МГц – 180 пФ, 120 пФ и 2,2 кОм; для 10…18 МГц – 150 пФ, 68 пФ и 1,2 кОм; для 18…21 МГц – 68 пФ, 33 пФ и 680 Ом.
Как принято говорить в таких случаях, при исправных деталях и безошибочном монтаже генератор настройки не требует (за исключением, быть может, некоторой коррекции рабочей частоты подстройкой конденсатора С2). Если при выполнении двух названных выше условий генератор все же не заработал, то единственной причиной этого может быть невысокая активность кварцевого резонатора. В этом случает его следует либо заменить на другой, либо попытаться “поиграться” с номиналами конденсаторов С3 и С4. В частности, может помочь изменение в ту или иную сторону отношения их емкостей.
На втором рисунке приведена схема кварцевый генератор, в котором кварцевый резонатор возбуждается на нечетных гармониках его основной рабочей частоты.
Как и в предыдущем варианте, входное сопротивление следующего каскада должно быть не менее 1 кОм. Выходное напряжение – примерно 0,5 В. Для полосы частот 15…25 МГц емкости конденсаторов С2, С3 и С4 должны быть соответственно 100, 100 и 68 пФ; для 25…55 МГц – 100, 68 и 47 пФ; для 50…65 МГц – 68, 33 и 15 пФ. Катушку L1 наматывают проводом диаметром 0,3 мм на каркасе диаметром 5 мм. Она имеет подстроечник из карбонильного железа (диаметр – 4 мм). Для трех указанных выше полос рабочих частот число витков должно быть соответственно 15, 10 и 7.
Налаживают кварцевый генератор подстройкой катушки L1 по устойчивой генерации на третьей гармонике основной частоты кварцевого резонатора. Если этого не происходит при любом положении подстроечника, то следует подобрать число витков катушки или попробовать провести эту операцию, установив конденсатор С2 с большим или меньшим номиналом. Если же и эта операция не поможет, то скорее всего причиной является низкая активность кварцевого резонатора (см. выше). Следует заметить, что далеко не все резонаторы, устойчиво генерирующие на основной частоте, также устойчиво работают и на гармониках.
Подобный кварцевый генератор может обеспечить напряжение около 2В на высокоомной нагрузке (например, смесительный каскад на транзисторе с изолированным затвором) на более высокой частоте, если в цепь коллектора транзистора VT1 ввести полосовой фильтр, настроенный, например, на вторую гармонику рабочей частоты генератора (т.е. это будет генератор – удвоитель частоты на одном транзисторе). Катушки индуктивности L2 и L3 такого фильтра наматывают проводом диаметром 0,6 мм на каркасе диаметром 5 мм с двумя подстроечниками из карбонильного железа (диаметр 4 мм). Расстояние между катушками – 5 мм. Для полосы частот 60…90 МГц число витков должно быть 9, а для 90…130 МГц – 6. Номиналы конденсаторов С6, С7 фильтра – 33 и 22 пФ соответственно.
Кварцевый генератор, схема которого показана на рисунке, чуть посложнее – он содержит колебательный контур.
Это даст сразу два преимущества. Во-первых, он имеет более высокую спектральную чистоту выходного сигнала. Во-вторых, он обеспечивает более высокий уровень выходного сигнала (около 1В на нагрузке 100 Ом). Для полосы частот 1…3МГц емкости конденсаторов С2, С5 и С6 соответственно равняются 470, 270 и 2000 пФ; для 3… 10 МГц – 330, 150 и 1500 пФ; для 10…30 МГц – 180. 47 и 330 пФ. Катушка L1 должна иметь при среднем положении подстроечника такую индуктивность, чтобы обеспечить с конденсатором С5 резонанс па рабочей частоте. Налаживают этот генератор по устойчивой генерации на основной частоте кварцевого резонатора или на ее третьей гармонике.
Сверхэкономичный кварцевый генератор запускается при напряжении 2.4 В
Изображенный на Рисунке 1 кварцевый генератор Пирса был разработан для работы от двух 1.5-вольтовых батареек, но на практике, запускался даже при напряжении питания 2.4 В. Предварительные эксперименты показали, что генератор Пирса, собранный на стандартных инверторах серии CD4000, запускаться при таком низком напряжении не может, хотя, после старта, работает и при меньших напряжениях.
 | |
| Рисунок 1. | Этот генератор Пирса, способный запускаться при напряжении питания 2.4 В, потребляет исключительно малый ток. |
Генератор с низким напряжением запуска первоначально разрабатывался для устройства, которое должно было работать от батарей не менее года и, даже, был запатентован. Правда, к настоящему времени, сок действия патента уже истек.
На выходе генератора в точке соединения коллекторов транзисторов сигнал имеет полный размах от нуля до шины питания, чем обеспечивается совместимость с входами КМОП логики. Поскольку основной целью разработки генератора было достижение минимального тока потребления, выбирались транзисторы, имеющие максимальный коэффициент передачи тока при минимальном напряжении. Использован стандартный часовой кварцевый резонатор 32.768 кГц со стабильностью ±20 ppm.
Резисторами R1 и R2 устанавливается базовое смещение транзисторов Q1 и Q2 относительно средней точки питания. Выход генератора (точка соединения коллекторов) подключен к резистору R3, совместно с которым C1, X1, и C2 образуют фазосдвигающую цепочку. Выход цепочки соединен с базами транзисторов Q1 и Q2, замыкая контур обратной связи.
C2 в данной схеме не нужен, но установлен на случай, если он потребуется в других обстоятельствах. Петля обратной связи на частоте генерации сдвигает фазу сигнала на 360°. Выход генератора подключен к буферу U1, на выходе которого формируются импульсы прямоугольной формы. В качестве буфера можно использовать микросхемы серии CD4000, например инверторы, или включенные инверторами схемы «И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ».
Потребляемый ненагруженным генератором ток, измеренный при напряжении питания 3 В, был равен 1.4 мкА. (Выход генератора не был подключен к U1). Нагруженный генератор потреблял 1.8 мкА, а вся схема полностью – 3 мкА.
 | |
| Рисунок 2. | Осциллограмма сигналов 32.768 кГц (10 мкс/см): выход генератора (1 В/см) – сверху и выход буфера (2 В/см) – снизу. |
На Рисунке 2 показаны осциллограммы сигналов на выходах генератора и буфера U1. Заметим, что прямое подключение выхода генератора к высокоскоростным КМОП схемам приведет к значительному увеличению потребляемого тока вследствие того, что скорость нарастания напряжения на выходе генератора относительно мала, а сквозные токи быстродействующих КМОП схем велики, по сравнению с токами стандартных схем. Именно поэтому, рекомендуется использование микросхем серии CD4000.
Рисунок 3 иллюстрирует альтернативный способ подачи смещения на транзисторы, позволяющий схеме работать при еще более низком напряжении. Так, если в схеме на Рисунке 1 напряжение питания должно превышать сумму двух напряжений база-эмиттер, то в конфигурации, показанной на Рисунке 3, уверенный запуск генератора на частоте 32.768 кГц происходит уже при напряжении питания 2 В. Интересно, что колебания наблюдались даже при напряжении питания 0.65 В, а ток потребления при этом был менее 1 мкА.
 | |
| Рисунок 3. | Альтернативный вариант подачи смещения на транзисторы позволяет запускать генератор при напряжении меньше 2 В. |
Несколько простых экспериментов показали, что генератор может быть полезен и при гораздо более высоких частотах. Кварцевый резонатор без проблем работал на третьей гармонике на частоте 30 МГц. При этом Q1, Q2, и C3 оставались прежними, R1 и R2 уменьшены до 330 кОм, а R3 закорочен. Оптимальные значения емкостей C1 и C2 точно не определялись, так как в процессе подбора номиналов, обеспечивающих минимальный ток потребления, постоянные конденсаторы были заменены подстроечными. При напряжении питания 3 В ненагруженный генератор потреблял ток 400 мкА.
Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман
Как сделать кварцевый генератор
Среди радиолюбителей, занимающихся конструированием миниатюрных транзисторных радиопередатчиков и радиомикрофонов весьма популярны схемотехнические решения кварцевых ВЧ-генераторов с трехточечным включением резонансного контура. В таких генераторах, как и в трехточечных LC-генераторах, подключение резонансного контура к активному элементу осуществляется в трех точках. При этом, в зависимости от схемы включения по переменному току транзистора активного элемента кварцевого трехточечного генератора возможны три основных варианта включения как индуктивной, так и емкостной трехточек: по схеме с общей базой, по схеме с общим эмиттером и по схеме с общим коллектором.
Кварцевый резонатор используется в трехточечных генераторах в качестве элемента с индуктивным характером реактивного сопротивления. Поэтому при выборе схемы генератора с емкостным делителем в цепи обратной связи (емкостная трехточка) можно добиться выполнения условий самовозбуждения без использования катушки индуктивности.
В настоящее время в миниатюрных транзисторных передатчиках чаще всего используются три типа трехточечных кварцевых генераторов, выполненных с использованием емкостного делителя в цепи ПОС. Главное отличие этих схемотехнических решений, называемых по именам их изобретателей, заключается в способе включения транзистора активного элемента по переменному току. В емкостной трехточке по схеме Пирса транзистор включен по схеме с общим эмиттером, в емкостной трехточке по схеме Колпитца – с общим коллектором, а в емкостной трехточке по схеме Клаппа – с общей базой. Упрощенные принципиальные схемы трехточечных кварцевых генераторов указанных типов приведены на рис. 3.13.
Рис. 3.13. Упрощенные принципиальные схемы кварцевых емкостных трехточек по схеме Пирса (а), по схеме Колпитца (б) и по схеме Клаппа (в)
Весьма интересным представляется схемотехническое решение емкостной трехточки с включением кварцевого резонатора между базой и коллектором транзистора активного элемента (рис. 3.13а). Его впервые предложил американский изобретатель Джордж Пирс (Pierce), поэтому часто такая схема генератора называется схемой Пирса. Принципиальная схема высокочастотного кварцевого генератора по схеме Пирса, выполненного на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, приведена на рис. 3.14. Частота генерируемого сигнала составляет 1 МГц.
Рис. 3.14. Принципиальная схема трехточечного кварцевого генератора по схеме Пирса с частотой 1 МГц
В рассматриваемой схеме активный элемент выполнен на биполярном транзисторе VT1, который по переменному току включен по схеме с общим эмиттером. Стабилизация рабочей точки транзистора обеспечивается с помощью цепи ООС, а режим работы транзистора VT1 по постоянному току определяется величиной сопротивления резистора R1. Особенностью данной схемы является включение кварцевого резонатора BQ1 между базой и коллектором транзистора, то есть в цепи отрицательной обратной связи. При этом значение частоты генерируемых колебаний рекомендуется выбирать немного ниже частоты параллельного резонанса.
При изменении параметров конденсаторов С1 и С2 в данном генераторе можно использовать кварцевые резонаторы с большей частотой. Например, для частот от 10 МГц до 30 МГц емкость этих конденсаторов должна составлять 27 пФ. Соответственно следует уменьшить и индуктивность дроссельной катушки L1.
Отличительной особенностью кварцевых генераторов, выполненных по схеме Пирса, является сравнительно высокая стабильность частоты генерируемого высокочастотного сигнала, поскольку на добротность кварцевого резонатора параметры подключаемых к нему элементов практически не оказывают заметного влияния. В то же время амплитуда выходного сигнала в значительной мере зависит от стабильности положения рабочей точки транзистора. Поэтому нередко используются схемотехнические решения, в которых для стабилизации положения рабочей точки транзистора активного элемента применена и так называемая классическая мостовая схема.
Принципиальная схема высокочастотного кварцевого генератора по схеме Пирса с использованием классической схемы стабилизации положения рабочей точки транзистора, приведена на рис. 3.15. В данном случае частота генерируемого сигнала может составлять от 1 МГц до 3 МГц.
Рис. 3.15. Принципиальная схема кварцевого трехточечного генератора по схеме Пирса с частотой от 1 МГц до 3 МГц
Как и в рассмотренной ранее схеме активный элемент генератора выполнен на биполярном транзисторе VT1, который по переменному току включен по схеме с общим эмиттером. Однако в данной схеме положение рабочей точки транзистора VT1 определяется соотношением величин сопротивлений резисторов R1 и R2, образующих делитель напряжения в цепи базы транзистора. В состав мостовой схемы стабилизации положения рабочей точки в данном случае помимо резисторов R1 и R2 входит резистор R3, включенный в цепи эмиттера транзистора VT1. По высокой частоте резистор R3 образует цепь положительной обратной связи, глубина которой уменьшается подключением конденсатора С3. Таким образом, стабилизация положения рабочей точки обеспечивается использованием цепи отрицательной обратной связи по току за счет подключения резистора R3 и конденсатора С3 в цепь эмиттера транзистора VT1. Более подробно принцип действия такой цепи ООС был рассмотрен в соответствующем разделе одной из предыдущих глав.
Для того, чтобы каскад начал работать в режиме генерации колебаний, необходимо обеспечить сдвиг фазы между выходом и входом активного элемента на 180°. Выполнение этого условия обеспечивается соответствующим включением конденсаторов С2, С4 и С5. Емкости конденсаторов С2 и С4 следует выбирать максимально возможными, однако их величины ограничены возможностями транзистора VT1 по обеспечению самовозбуждения каскада. Поэтому в данной конструкции рекомендуется применять транзистор с максимальным усилением по току. Напомним, что рассматриваемое схемотехническое решение основано на использовании индуктивной составляющей комплексного сопротивления кварцевого резонатора BQ1, который работает в режиме, близком к режиму параллельного резонанса. Резонансную частоту в незначительных пределах можно регулировать с помощью подстроечного конденсатора С1, который включен последовательно с кварцевым резонатором BQ1.
На конденсаторах С4 и С5 собран емкостной делитель, с которого снимается выходной сигнал. Входное комплексное сопротивление активного элемента генератора определяется величиной емкости конденсатора С2, а выходное – емкостями конденсаторов С4 и С5. Емкость конденсатора С5 сравнительно велика, поэтому его емкостным сопротивлением в данном случае можно пренебречь. Этот конденсатор обеспечивает благоприятные условия для снятия выходного сигнала с коллектора транзистора VT1.
Необходимо отметить, что в случае, если напряжение источника питания достаточно велико, высокочастотный дроссель L1 в цепи коллектора транзистора можно заменить обычным резистором.
Данное схемотехническое решение практически без каких-либо изменений можно использовать при построении генератора с более высокой рабочей частотой. Например, при использовании кварцевого резонатора BQ1, имеющего частоту от 3 МГц до 10 МГц емкость конденсатора С1 должна быть уменьшена до 330 пФ, емкость конденсатора С2 – до 150 пФ, а емкость конденсатора С4 – до 1500 пФ. При использовании кварцевого резонатора BQ1, имеющего частоту от 10 МГц до 30 МГц емкость конденсатора С1 должна быть уменьшена до 180 пФ, емкость конденсатора С2 – до 47 пФ, а емкость конденсатора С4 – до 330 пФ.
Для получения более высоких значений частот сигнала используются схемотехнические решения так называемых гармониковых генераторов по схеме Пирса, в которых частота генерации представляет собой одну из нечетных гармоник частоты кварцевого резонатора. Чаще всего это третья, пятая или седьмая гармоники. Однако рассмотрение таких схем выходит за рамки данной книги.
Генераторы Пирса вполне заслуженно считаются генераторами с наилучшей кратковременной стабильностью частоты. Однако недостатком таких схем является сравнительная сложность. К тому же особое внимание следует уделять качественной стабилизации базового тока транзистора. Недостатком генераторов по схеме Пирса можно считать и то, что ни один из выводов кварцевого резонатора не подключен к шине корпуса.
При разработке транзисторных микропередатчиков и радиомикрофонов нередко используется схемотехническое решение трехточечного кварцевого генератора, в котором транзистор активного элемента по переменному току включен по схеме с общим коллектором. При этом кварцевый резонатор, имеющий индуктивный характер реактивного сопротивления, входит в состав параллельного резонансного контура в качестве индуктивной ветви. Емкостная ветвь этого контура образована двумя включенными последовательно конденсаторами, в точку соединения которых подается сигнал с выхода активного элемента (рис. 3.13б). В результате конденсаторы образуют емкостной делитель в цепи положительной обратной связи, поэтому такую схему кварцевого генератора часто называют схемой Колпитца. Принципиальная схема кварцевого трехточечного генератора по схеме Колпитца приведена на рис. 3.16. Частота генерируемого сигнала может составлять от 10 МГц до 25 МГц при выходном эффективном напряжении от 200 мВ до 300 мВ.
Рис. 3.16. Принципиальная схема кварцевого трехточечного генератора по схеме Колпитца с частотой от 10 МГц до 25 МГц
В рассматриваемой конструкции транзистор VТ1 по постоянному току включен по схеме с общим эмиттером. При этом положение рабочей точки транзистора определяется величиной сопротивлений резисторов R1 и R2, образующих делитель напряжения. По переменному току транзистор VТ1 включен по схеме с общим коллектором, поскольку по высокой частоте его коллектор заземлен через конденсатор С5 сравнительно большой емкости.
Высокочастотные колебания возникают в колебательном контуре, включенном по переменному току между базой транзистора VТ1 и шиной корпуса. Резонансный контур образован кварцевым резонатором BQ1 и конденсаторами С1, С2, С3 и С4. Сигнал, сформированный в эмиттерной цепи транзистора VТ1, то есть на выходе активного элемента, подается на емкостной делитель, образованный конденсаторами С3 и С4, входящий в состав резонансного контура. Снимаемое с емкостного делителя напряжение подается во входную цепь активного элемента, а именно на базу транзистора VТ1, в результате чего каскад оказывается охваченным положительной обратной связью. Величина напряжения ОС, и, соответственно, глубина обратной связи, определяется соотношением величин емкостей конденсаторов С3 и С4.
Необходимо отметить, что при стабилизации положения рабочей точки транзистора VT1 указанным способом, то есть с помощью мостовой схемы, в состав которой входят резисторы R1, R2 и R4, резисторный делитель оказывает заметное влияние на добротность кварцевого резонатора BQ1. Это влияние объясняется тем, что при сравнительно высоком входном сопротивлении транзистора элементы указанного делителя выступают в качестве дополнительной нагрузки пьезоэлектрического элемента. В результате уменьшение добротности кварцевого резонатора может привести к ухудшению параметров всего каскада. Решить данную проблему можно либо выбором возможно больших величин сопротивлений резисторов делителя, либо применением более простых схем стабилизации положения рабочей точки транзистора (без резисторного делителя). Однако во втором случае, скорее всего, стабильность положения рабочей точки будет хуже.
Емкость конденсаторов С3 и С4, которые используются в емкостном делителе, следует выбирать возможно большей, особенно если в качестве активного элемента каскада применяется транзистор с менее качественными высокочастотными параметрами. При этом емкость конденсатора С4 в выходной цепи обычно выбирается в 2–3 раза большей, чем емкость конденсатора С3. Высокая суммарная емкость позволяет последовательно с кварцевым резонатором включить цепочку из двух включенных параллельно конденсаторов С1 и С2. Подстроечный конденсатор обеспечивает возможность регулировки рабочей частоты генератора в незначительных пределах.
Рассмотренное схемотехническое решение может стать основой транзисторного генератора с выходной частотой до 100 МГц. Однако в этом случае рекомендуется использовать гармонические составляющие основной частоты генерации. К достоинствам схемы Колпитца следует отнести и то, что один из выводов кварцевого резонатора BQ1 при необходимости может быть подключен непосредственно к шине корпуса. Для этого достаточно исключить из схемы конденсаторы С1 и С2.
Не менее интересным представляется схемотехническое решение емкостной трехточки с включением кварцевого резонатора между эмиттером и коллектором транзистора активного элемента (рис. 3.13в). Такую схему часто называют схемой Клаппа. Принципиальная схема кварцевого трехточечного генератора по схеме Клаппа приведена на рис. 3.17.
Рис. 3.17. Принципиальная схема кварцевого генератора с включением транзистора по схеме с общей базой (схема Клаппа)
Транзистор VТ1 по постоянному току включен по схеме с общим эмиттером. При этом положение рабочей точки транзистора определяется величиной сопротивлений резисторов R1 и R2, образующих делитель напряжения. По переменному току транзистор VТ1 включен по схеме с общей базой, поскольку по высокой частоте его база заземлена через конденсатор С1 сравнительно большой емкости. Стабилизация положения рабочей точки транзистора VT1 обеспечивается мостовой схемой, в состав которой помимо резисторов R1 и R2 входит резистор R4 в цепи эмиттера транзистора.
Кварцевый резонатор BQ1 включен в выходной цепи активного элемента, между коллектором транзистора VT1 и шиной корпуса. Связь выходной и входной цепей активного элемента обеспечивается включением между коллектором и эмиттером транзистора VT1 емкостного делителя, образованного конденсаторами С3 и С4. Емкости этих конденсаторов следует выбирать максимально возможными, однако не следует забывать о том, что одновременно с их увеличением уменьшается глубина обратной связи, что приводит к ухудшению режима работы кварцевого резонатора BQ1. В данном случае емкостной делитель подключен параллельно резонатору, поэтому его общее емкостное сопротивление должно быть хотя бы в два раза больше, чем внутреннее сопротивление резонатора, для того, чтобы обратная связь имела достаточную глубину. При необходимости величины емкостей конденсаторов С3 и С4 можно уменьшить. Параллельно конденсатору С3 рекомендуется подключить подстроечный конденсатор С5.
Из схемы видно, что для достижения высокого выходного сопротивления каскада величина сопротивления резистора R3 в цепи коллектора транзистора VT1 должна быть большой. Однако реализация этого условия довольно сложна, поскольку одновременно необходимо обеспечить стабильный режим работы транзистора. В этом заключается один из недостатков рассматриваемого схемотехнического решения. Тем не менее, при соблюдении определенного компромисса можно сконструировать генератор с весьма приемлемыми параметрами.
При выборе величины сопротивления резистора R3 не следует забывать о том, что его малое значение одновременно с уменьшением выходного сопротивления каскада приводит к уменьшению добротности кварцевого резонатора, который работает в режиме параллельного резонанса. Увеличить сопротивление резистора R3 можно за счет увеличения напряжения источника питания. При низком напряжении питания вместо резистора R3 рекомендуется включить дроссель.