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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 고조파에 대한 석영 발진기. 무선전자공학 및 전기공학 백과사전
무선 전자 및 전기 공학 백과사전 / 라디오 아마추어 디자이너 저자 [1, 2]의 루프리스 수정 발진기(CG) 회로를 사용하면 수정의 첫 번째(기본) 고조파뿐만 아니라 세 번째 고조파에서도 생성을 얻을 수 있습니다. 동시에, 이 회로에서는 고조파(소위 고조파) 생성을 위해 특별히 설계된 석영과 일반 석영이 세 번째 고조파에서 작동한다는 점에 주목하는 것이 흥미 롭습니다. 그러나 위의 회로는 무회로 배음 석영 발진기의 회로를 소진시키는 것과는 거리가 멀며, 바이폴라 트랜지스터를 기반으로 한 이러한 생성기 제품군의 또 다른 회로가 그림 1에 나와 있습니다. 1. 이러한 CH는 [2, XNUMX]의 구성표보다 간단합니다. 언뜻 보기에 이 회로는 잘 알려진 용량성 "XNUMX점" 회로처럼 보이지만 "클래식" 회로와는 다릅니다. 생성기에는 "클래식" KG 회로에 비해 피드백 커패시터(트랜지스터의 베이스와 이미터 사이) 중 하나가 부족합니다. 이 회로에는 요소 수를 줄이는 것 외에도 다른 장점이 있습니다. "클래식"KG는 석영의 첫 번째 고조파에서만 생성됩니다. 저자는 수많은 실험을 통해 1차(기계적) 고조파에 대한 생성을 얻을 수 없었습니다. 그림 3에 표시된 회로는 충분히 작은 커패시턴스 C3(보통 수십 피코패럿)를 사용하여 석영의 3차 고조파에서 쉽게 시작됩니다. 동시에, 커패시턴스 CXNUMX이 증가함에 따라 KG의 출력 RF 전압 레벨이 점차 감소합니다(생성된 발진의 주파수도 수십~수백 헤르츠만큼 약간 감소함). 이 경우 생성된 진동의 진폭은 다시 증가합니다.
C3가 훨씬 더 증가하면 진동 진폭이 점진적으로 감소하고 주파수가 약간 감소하고 마지막으로 충분히 큰 커패시턴스 C3(예: 27MHz 주파수에서 석영의 경우 수 나노패럿)에서 발생합니다. KG 진동이 분해됩니다. 커패시턴스 C3가 증가함에 따라 CG에서 발생하는 현상의 그림이 그림에 나와 있습니다. 2.
첫 번째 고조파("고조파" 석영의 경우)에서 생성하는 동안 KG의 출력 전압의 진폭은 세 번째 고조파(동일한 석영의 경우)에서 생성하는 동안보다 더 큰 것으로 나타났습니다. 따라서 그림에서. 그림 2는 첫 번째와 세 번째 기계적 고조파 모두에서 석영 생성이 가능한 가장 일반적인 경우를 보여줍니다. 때때로 (매우 드물게) 첫 번째 고조파에서만 생성되는 석영이 여전히 있습니다. 이 경우, 그림. 2에서는 하나의 피크(오른쪽)만 남고 왼쪽 피크와 3주파수 진동 영역이 사라집니다. 커패시턴스 C10이 변경될 때 KG 주파수에서 "점프"를 관찰하려면 RF 오실로스코프와 주파수 측정기를 양호한 버퍼 단계(입력 저항이 XNUMXkΩ 이상이고 입력 커패시턴스가 더 이상 없음)를 통해 KG에 연결해야 합니다. 몇 피코패럿보다). C3으로는 KPI(12 ... 495pF)가 사용되며 이는 직접적으로 또는 작은 커패시턴스(수십 피코패럿)를 통해 KG 회로에 포함됩니다. KPI는 가능한 최소 길이의 두꺼운 비절연 전선을 사용하여 KG 보드에 연결됩니다. 그러나 실제 사용의 관점에서 볼 때 그림 3에 표시된 구성은 다음과 같습니다. 1. 이 경우 버퍼 단계에 대한 요구 사항이 크게 줄어듭니다. 그럼에도 불구하고, 이러한 KG 회로가 수신기 또는 트랜시버의 일부로 사용되는 경우에도 버퍼 스테이지(적어도 가장 간단한 스테이지)가 여전히 바람직합니다. 위의 KG 회로의 전원 공급을 안정화하는 것도 필요합니다. 회로의 저항 값에 특별한 주의를 기울여야 합니다(그림 3 및 1). 넓은 범위에서 변경할 수 없습니다. 따라서 그림 9에 따른 KG 계획의 경우 12 공급 전압 XNUMX ... XNUMX V에서 다음 조건을 충족해야 합니다. R1=R2=20*R3; R3 = 470...2000옴(1) 그림에 따른 KG. 3 동일한 공급 전압에서 다음 조건이 필요합니다. R1 \u2d R20 \u4d 3 * R4 (RXNUMX "RXNUMX에서); R4 = 470.. 2000옴, (2) 또는 R1=20*R4; R2 = 10*R4(R3 ~= R4와 함께); R4 = 470...2000옴; R3 <= 1000옴. (삼) 조건 (1), (2) 또는 (3)이 충족되는 경우에만 CG 구성표가 위에서 설명한 대로 작동합니다. 바이어스 저항기는 [3]의 권장 사항을 사용하여 선택됩니다. KG(그림 3)의 출력 임피던스는 R3과 거의 같습니다.
이러한 CG에 대한 버퍼 단계는 [2]와 동일하게 사용할 수 있습니다. 그러나 버퍼 단계는 입력 신호를 차별화(어떤 경우에는 통합)할 수 있으며, 이로 인해 정현파 신호의 경우 파형이 왜곡될 수 있다는 점을 항상 기억해야 합니다. 위의 KG 방식은 아마추어 무선 설계에 널리 사용되는 경우에 권장될 수 있습니다. 저자에 따르면 특히 성공적인 것은 그림 3의 다이어그램입니다. 50은 1ohm RF 출력을 갖습니다(정격 R2=R10=3kOhm, R51=XNUMXOhm에서). 이러한 KG 방식은 분류 [5]에 따르면 "169점"이며 석영의 첫 번째 고조파와 세 번째 고조파 모두에서 작동할 수 있습니다. 예를 들어, 그림에 따른 구성표의 석영 RK-3입니다. 3(R51=27411Ω)은 C3=51pF에서 9142,42kHz의 주파수, C3=330pF에서 27,41kHz의 주파수에서 생성되었으며, 석영 본체에는 XNUMXMHz의 주파수가 표시되었습니다. 이제 프로토타입을 기반으로 저자가 설계한 발전기인 Pierce 발전기를 고려해 보십시오. Pierce 발전기는 커패시터 C2 및 C4를 통한 용량 결합을 사용하는 발전기입니다(그림 4).
피어스 발진기에서 작동할 때 석영 공진기는 유도성 리액턴스를 가지므로 이러한 발진기는 석영 공진의 직렬 fs 주파수와 병렬 fp 사이의 주파수 범위에서 작동합니다. [4]에 따르면 이 생성기의 석영은 fp에 가까운 주파수에서 생성되지만 [6]에서는 생성 주파수가 fp보다 fs에 더 가깝다는 점에 주목합니다. 이와 관련하여 이러한 CG를 직렬 및 병렬 공진 발생기로 나누는 것은 생성된 주파수가 회로에 포함된 반응도 값에 의존하기 때문에 완전히 성공하지 못합니다(예를 들어 그림 5에서는 C2 및 C4입니다). ).
그림에. 4개의 저항 R1 및 R2는 전압 분배기를 형성하여 트랜지스터 VT1 베이스의 필요한 바이어스 전압을 생성합니다. 동작점의 높은 온도 안정성을 얻기 위해 직류 R3-C3용 OOS 회로가 사용됩니다. 커패시터 C1 및 C3은 차단 커패시터이며 용량이 충분하면 KG의 주파수에 영향을 미치지 않습니다. 동시에 커패시터 C2와 C4는 진동 생성에 직접적으로 관여하며 주파수는 커패시턴스에 따라 달라집니다. 인덕터 L1의 반응성(유도성) 저항은 매우 크므로(커패시터 C2, C4 및 석영 ZQ1의 리액턴스보다 훨씬 높음) Pierce KG 회로에서 인덕터 L1의 역할은 DC 분리로만 줄어듭니다. 및 RF 전류. 이러한 이유로 L1은 다른 전류원(저항기 포함)으로 대체될 수 있습니다. 어떤 경우에는 이러한 초크(특히 품질 계수 Q가 높은 경우)를 사용하면 석영 주파수가 아닌 발전기의 여기가 발생할 수 있다는 점에 특히 유의해야 합니다. 스로틀을 도입하게 되면 CG의 신뢰성이 떨어지기 때문에 가능하면 버리는 것이 좋습니다. CG의 작업 다이어그램은 그림 5에 나와 있습니다. 2. 충분히 작은 커패시터 C3=C2의 커패시턴스를 선택하면 석영의 XNUMX차 고조파에서 생성이 발생합니다. 이러한 커패시턴스가 증가함에 따라 그림 XNUMX에 표시된 패턴이 나타납니다. XNUMX, 그리고 이러한 커패시턴스의 충분히 큰 값에 대해 우리는 석영의 첫 번째 고조파에서 생성을 얻습니다. 트랜지스터 VT2 및 VT3에는 버퍼 스테이지가 만들어지며 이는 차례로 연결된 이미 터 팔로워입니다. 저항기 R3 및 R7은 기생충 방지 기능이 있어 버퍼 단계의 안정성을 높이는 역할을 합니다. С2=С3을 받아들인다면 KG가 XNUMX차 고조파에서 작동할 때 이러한 커패시턴스는 다음 식으로 결정될 수 있습니다. C2 \u3d CXNUMX \uXNUMXd L, (pF) 여기서 L은 세 번째 고조파 m의 파장입니다. 첫 번째 고조파에서 안정적인 작동을 위해서는 이러한 커패시턴스를 3배, 바람직하게는 5배 크게 선택해야 합니다. 그림에. 그림 6은 입력 저항이 높은 전압계에 대한 RF 부착 다이어그램을 보여주며, 이를 통해 교정 곡선을 사용하여 VT1 컬렉터의 RF 전압이 결정되었습니다(그림 5). 접두어는 DC 전압 측정 모드에서 고저항(RBX> 1MΩ) 전압계에 연결됩니다.
고조파 석영(46,516MHz) 중 하나에 대해 얻은 데이터가 표 1에 나와 있습니다. 표에서 볼 수 있듯이 약 50MHz 주파수의 석영의 경우 회로 기판과 트랜지스터 자체의 용량으로 충분합니다. 27MHz의 석영의 경우 C2 및 C3가 없는 경우 XNUMX차 고조파 생성이 관찰되지 않습니다.
수정 발진기(CG)를 만드는 데 사용되는 바이폴라 트랜지스터(BT)는 트랜지스터 자체에 고유한 전극(Cbe, CKg, Cke) 사이의 충분히 큰 정전 용량을 특징으로 합니다. 이를 트랜지스터의 내부 커패시턴스라고 부르겠습니다. BT의 상당한 내부 커패시턴스로 인해 이러한 트랜지스터에서 KG의 작동은 이미 커패시터의 커패시턴스뿐만 아니라 BT의 내부 커패시턴스에 의해 결정됩니다. . 하나 또는 두 개의 절연 게이트가 있는 마이크로파 전계 효과 트랜지스터(FET)는 매우 작은 내부 정전 용량을 가지며, 이는 RF BT의 내부 정전 용량보다 한 자릿수(또는 그 이상) 더 작습니다. 따라서 마이크로파 FET에 대한 KG의 작업은 주로 커패시터의 커패시턴스와 설치의 기생 커패시턴스에 의해서만 결정됩니다. 제안된 FET의 KG 회로(그림 7)는 소스 팔로워를 기반으로 만들어졌습니다. 현재 XNUMX개의 절연 게이트가 있는 가장 널리 사용되는 마이크로파 FET와 바이폴라 및 전계 효과 트랜지스터에서 KG의 작동을 비교하려면 단일 게이트 FET가 필요합니다. 이러한 FET는 다음과 같이 이중 게이트 FET에서 얻습니다. 게이트를 함께 연결합니다. 사용된 마이크로파 FET는 최대 몇 기가헤르츠의 주파수 범위에서 작동한다는 점을 고려하면 자체 여기되기 쉽습니다(보드에 인쇄된 트랙은 일종의 마이크로파 회로로 "작동"합니다).
자가 여기를 제거하기 위해 저자는 저항이 낮은 기생 방지 SMD 저항기를 사용했으며 그 값은 경험적으로 선택되었습니다(그림 7에서는 R3 및 R4임). 이러한 SMD 저항은 장착을 위해 가능한 최소 길이로 단축된 FET 단자에 납땜되며, 측정 중 KG 주파수의 편차를 제거하기 위해 직렬로 연결된 소스 및 이미터 팔로워의 버퍼 스테이지가 여기에 연결됩니다. 마이크로파 FET에서 조사된 CG의 전체 구성은 그림 8에 나와 있습니다. 5. 이 버퍼 스테이지는 HF BT의 버퍼 스테이지보다 훨씬 더 나은 특성을 가지고 있습니다(그림 XNUMX).
언뜻 보면 BT와 PT의 CG 회로는 작동 원리가 동일하지만(두 회로 모두 광대역 전압 팔로어를 기반으로 함) 실험에 따르면 서로 다르게 동작하는 것으로 나타났습니다. BT의 CG(그림 1)에서는 트랜지스터의 이미터 회로에 있는 커패시터의 특정(작은) 커패시턴스로 인해 XNUMX차 고조파에서 생성이 발생합니다. 커패시터의 커패시턴스가 증가함에 따라 여전히 동일한 석영의 고조파에서 생성이 발생합니다. 그리고 지정된 커패시터의 커패시턴스가 더 증가해야만 발전기는 복잡한 진동 영역으로 전달됩니다. 복잡한 진동 영역은 일반적으로 커패시터 커패시턴스의 다소 좁은 범위의 변화(분수 ... 피코패럿 단위)에서 관찰됩니다. 동일한 영역에는 출력 전압의 피크(최대)가 있습니다. 커패시터의 커패시턴스가 더 증가하면 석영의 첫 번째 기계적 고조파가 생성됩니다. 마이크로파 FET의 CG에서 충분히 낮은 주파수의 석영(예: 약 9MHz의 첫 번째 기계적 고조파)을 사용하면 위에서 설명한 상태의 변화가 전혀 관찰되지 않으며 이는 첫 번째 근사치로 설명할 수 있습니다. FET의 내부 커패시턴스가 매우 작기 때문입니다. 그림 6,8에 표시된 특별히 포함된 커패시터(7pF)를 사용하여 이 가정을 테스트합니다. 도 8 및 2에서 Szi로서, 트랜지스터의 해당 커패시턴스는 인위적으로 증가되었으며, 이는 BT 및 PT에서 KG의 작동을 유사하게 만듭니다. 커패시터가 없는 FET(주파수 및 출력 전압)의 KG 데이터는 표 3에 나와 있습니다. 테이블에. 도 6,8은 정전용량 27668pF의 추가 커패시터를 설치한 경우의 데이터를 보여준다. 이 경우 동일한 석영(1kHz)과 저항기 R2=R20=XNUMXkOhm이 사용되었습니다. 추가 커패시터 Czi를 설치한 후 고려 중인 KG가 BT의 KG와 유사하게 작동하기 시작했습니다. FET의 KG가 고주파 석영(예: 첫 번째 기계적 고조파가 약 15MHz인 석영)과 함께 작동하는 경우 FET(Czi) 자체의 내부 정전 용량은 이미 KG의 정상적인 작동에 충분합니다. 고주파 석영을 사용한 CG에 대한 데이터가 표에 나와 있습니다. 4(46,516MHz에서). 이 경우 R1 \u2d R20 \uXNUMXd XNUMXkOhm입니다. 표의 C3 값에 대한 주파수 및 출력 전압의 의존성. 2와 3은 그림 9에 그래픽으로 표시되어 있습니다. 10와 4, 그리고 테이블에서. 11 - 그림에서. 열하나.
참고 사항 : 1 C3=20pf에서 XNUMX개 주파수 발진 영역이 있습니다. 2 R1=R2=1MΩ이면 15,52MHz 주파수에서만 발생 고려된 모든 KG 회로의 발생기 트랜지스터와 버퍼 스테이지는 상당한 수준의 RF 신호에서 작동하므로 상당한 비선형 왜곡이 발생합니다. KG의 출력에는 상당한 수준의 신호의 전기적 고조파도 있습니다. 이러한 고조파의 주파수는 기본 주파수(즉, 첫 번째 고조파)보다 정수배 더 큽니다. 예를 들어 석영이 9MHz의 주파수에서 작동하는 경우 18, 27, 36, 45MHz 등의 주파수가 KG의 출력에도 나타납니다. 그러나 일반적으로 이러한 고조파는 첫 번째 고조파보다 크기가 한 단계 높거나 약합니다. 석영의 기계적 고조파는 정확히 서로의 정수배가 아닙니다. 따라서 석영의 첫 번째 및 세 번째 기계적 고조파는 XNUMX배가 아닌 요소만큼 주파수가 다릅니다. 석영의 기계적 고조파의 이러한 특징을 이용하여 기계적 고조파와 전기적 고조파를 구별할 수 있습니다. 예를 들어, 표 1의 데이터를 사용하여 주파수 비율을 얻습니다. f3/f1 = (46518,46+46518,15)*2/(2*(15516,82+15513,54))=46518,3/15515,18=2,998 (4) 기계적 고조파를 기반으로 한 공진기의 주파수는 [9]에 따라 다음 식으로 결정됩니다. fn = n(1-Yn)*f1, (5) 여기서 fn은 석영의 n번째 기계적 고조파의 주파수, n은 해당 고조파의 수(이 경우 홀수 정수), f1은 석영의 첫 번째 기계적 고조파의 주파수, Yn은 다음에 따른 보정 계수입니다. 고조파 수. 예를 들어 Y3=0,001[9] 따라서 세 번째 기계적 고조파에 대한 식(5)은 다음과 같은 형식을 취합니다. f3=3*(1-0,001)*f1, (6) 어디서 왔어? f3/f1 = 3*(1 -0,001) = 2,997 (7) 식 (4)와 (7)의 수치가 실질적으로 일치하므로 발전기에서 석영의 첫 번째 및 세 번째 기계적 고조파 모두 생성이 가능하다고 말할 수 있습니다. 위에서 고려한 모든 KG 회로에는 복잡한 발진 영역(그림 2)이 존재하며 오실로스코프를 KG 출력에 연결하여 감지할 수 있습니다. 일반적인 정현파와는 거리가 먼 복잡한 그림이 화면에 관찰됩니다. 복합 발진 영역에서는 3차 및 XNUMX차 기계적 고조파의 진동이 공존하며 해당 커패시터(CXNUMX)의 용량이 증가하면 XNUMX차 고조파의 진폭이 감소하고 XNUMX차 고조파의 진폭이 증가합니다. . 고려된 모든 CG에서 첫 번째 기계적 고조파에서 생성할 때 출력 전압은 세 번째에서 생성할 때보다 다소 높은 것으로 나타났습니다. 첫 번째 기계 고조파 주파수의 진동은 항상 세 번째 주파수의 진동보다 "더 강"하므로 "제어 용량의 증가에 따라 3주파수 진동 영역에서 KG의 출력 전압이 증가합니다." " 커패시터(CXNUMX). 반대로 XNUMX주파수 발진 영역 외부의 "제어" 커패시터의 커패시턴스가 증가하면 발전기의 출력 전압이 감소합니다. 충분히 저주파 석영을 사용하는 경우 BT와 FET에서 CG의 작동에서 관찰된 차이와 PT에서 CG의 비정상적인 작동은 BT는 Cbe, PT는 Czi(Cbe"Czi). FET의 게이트와 소스 사이에 추가 커패시턴스 Cdop(Cdop~=Szi)를 연결하여 Cbe와 Czi를 비교하면, BT의 KG와 FET는 거의 동일하게 동작하기 시작합니다. 위에서 설명한 모든 KG 회로는 석영의 첫 번째 및 세 번째 기계적 고조파 모두에서 작동하므로 그림 12에 표시된 등가 석영 회로를 분석에 사용할 수 있습니다.
이러한 석영 회로를 사용하면 그림 13과 같은 FET 발진기의 등가 회로를 표현할 수 있습니다. XNUMX.
고려된 모든 KG 구성에는 석영 자체를 제외하고 진동(공진) 회로가 포함되어 있지 않습니다. 이는 기본적으로 "제어" 커패시터의 커패시턴스만 선택함으로써 이러한 고조파 CG의 제조 및 튜닝을 크게 단순화합니다. 문학
저자: V.Artemenko, UT5UDJ, 키예프
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