Comprendre les circuits des oscillateurs à cristal

Les configurations de base des circuits d'oscillateur à cristal à semi-conducteurs sont aujourd'hui plus développées, presque tous les circuits étant des modifications des systèmes de tubes à vide largement reconnus comme l'oscillateur Pierce, Hartley, Clapp et Butler et fonctionnent avec des dispositifs bipolaires et FET.

Bien que tous ces circuits répondent fondamentalement à leur objectif conçu, il existe de nombreuses applications qui nécessitent quelque chose de complètement différent ou pour lesquelles la fonctionnalité doit être décrite avec précision.

Vous trouverez ci-dessous une gamme de circuits, pour une variété d'applications allant de la basse fréquence à la gamme VHF, qui ne sont généralement pas visibles dans l'utilisation ou les livres amateurs existants.

Les techniques de base des circuits d'oscillateur à cristal à semi-conducteurs sont désormais bien établies, la plupart des circuits étant des adaptations de la technologie bien connue des tubes à vide tels que l'oscillateur Pierce, Hartley, Clapp et Butler et utilisent à la fois des dispositifs bipolaires et FET.

Alors que ces circuits remplissent fondamentalement leur objectif, il existe de nombreuses applications qui nécessitent quelque chose de différent ou pour lesquelles les performances doivent être caractérisées de manière fiable.

Présentés ici sont une variété de circuits, pour une gamme d'applications de LF à la gamme VHF, qui ne sont pas couramment trouvés dans l'utilisation ou la littérature amateur actuelle.

MODES DE FONCTIONNEMENT

Un point rarement valorisé, ou simplement négligé, est le fait que les cristaux de quartz peuvent osciller dans un mode résonnant parallèle et un mode résonnant série. Les deux fréquences sont séparées avec une différence mineure, généralement de 2 à 15 kHz sur la gamme de fréquences.

La fréquence de résonance série est plus petite en fréquence par rapport au parallèle.

Un cristal spécifique conçu pour être utilisé en mode parallèle peut être appliqué de manière appropriée dans un circuit résonnant en série si un condensateur d'une amplitude équivalente à sa capacité de charge exacte (généralement 20, 30, 50 ou 100 pF) est fixé en série avec le cristal.

Malheureusement, il n'est pas possible d'inverser la tâche du cristal résonnant en série dans les circuits en mode parallèle. Le cristal en mode série oscillera probablement au-delà de sa fréquence calibrée dans sa situation et pourrait ne pas être possible de le charger suffisamment de manière capacitive.

Les cristaux à ton unique fonctionnent en mode série généralement sur la troisième, la cinquième ou la septième harmonique, et le fabricant étalonne généralement le cristal dans la fréquence d'harmonique.

Faire fonctionner un cristal en mode parallèle et multiplier la fréquence 3 ou 5 fois génère plutôt un nouveau résultat en faisant fonctionner précisément le même cristal en mode série sur sa 3e ou 5e harmonique.

Lorsque vous achetez des cristaux harmoniques, évitez les dilemmes et identifiez la fréquence que vous souhaitez, au lieu de la fréquence fondamentale apparente.

Les cristaux fondamentaux dans la plage de 500 kHz à 20 MHz sont généralement construits pour un fonctionnement en mode parallèle, mais un fonctionnement en mode série pourrait être demandé.

Pour les cristaux basse fréquence jusqu'à 1 MHz, l'un ou l'autre mode peut être choisi. Les cristaux de ton unique couvrent normalement la plage de 15 MHz à 150 MHz.

OSCILLATEURS A LARGE GAMME ou APERIODIQUES

Les oscillateurs qui n’utilisent jamais de circuits accordés sont souvent très utiles, que ce soit en tant que «contrôleurs de cristal» ou pour toute autre raison. Surtout pour les cristaux LF, les circuits accordés pourraient être assez énormes.

D'un autre côté, ils ne sont généralement pas sans leurs propres pièges. Quelques cristaux sont susceptibles d'oscillation sur des modes indésirables, en particulier les cristaux coupés DT et CT destinés aux oscillateurs à quartz LF.

C'est vraiment une bonne idée de s'assurer que la sortie est sur la bonne fréquence et qu'aucune «instabilité de mode» n'est apparente. La minimisation de la rétroaction aux fréquences les plus élevées résout généralement ce problème.

Dans des cas particuliers, la théorie ci-dessus peut être oubliée et un oscillateur possédant un circuit accordé peut être utilisé comme alternative (les oscillateurs à cristal LF sont revus par la suite).

Circuits de cristal

Le premier circuit ci-dessous est un oscillateur couplé à un émetteur, une variante du circuit Butler. La sortie du circuit de la figure 1 est essentiellement une onde sinusoïdale diminuant la résistance d'émetteur de Q2 amplifie la sortie harmonique.

En conséquence, un cristal de 100 kHz génère d'excellentes harmoniques via 30 MHz. C'est un circuit en mode série.

Une gamme de transistors peut être utilisée. Pour les cristaux au-dessus de 3 MHz, les transistors ayant un produit gain-bande passante élevé sont recommandés. Pour les cristaux de la gamme 50 kHz à 500 kHz, les transistors à gain BF élevé, comme le 2N3565, sont préférés.

De plus, pour les cristaux de cette sélection, la dissipation admissible est normalement inférieure à 100 microwatts et la limitation d'amplitude peut être essentielle.

Une tension d'alimentation réduite, parallèlement à un démarrage efficace, est suggérée. La modification du circuit par l'inclusion de diodes comme illustré sur la figure 3 est une technique plus avantageuse, et l'efficacité de démarrage est améliorée.

Le circuit va osciller jusqu'à 10 MHz en utilisant des transistors et des valeurs de résistance d'émetteur appropriés. Un émetteur suiveur ou un tampon suiveur de source est généralement recommandé.

Des commentaires identiques à ceux ci-dessus se connectent à la figure 2. Un tampon émetteur suiveur est incorporé dans ce circuit.

Les deux circuits sont quelque peu sensibles à la fréquence et aux variations de tension d'alimentation et aux spécifications de charge. Une charge de 1 k ou plus est recommandée.

TTL lC pourrait être combiné avec des circuits oscillateurs à cristal bien que de nombreux circuits publiés possèdent une efficacité de démarrage terrible ou éprouvent une non-répétabilité en raison de vastes paramètres dans les lC.

Le circuit de la figure 4. a été expérimenté par l'auteur sur la plage de 1 MHz à 18 MHz et sera encouragé. Il s'agit d'un oscillateur en mode série qui complète les cristaux de coupe AT.

La sortie est d'environ 3 V crête à crête, onde carrée jusqu'à environ 5 MHz au-dessus de laquelle cela se transforme en impulsions demi-sinusoïdales. L'efficacité de démarrage est superbe, ce qui semble être principalement un facteur critique avec les oscillateurs TTL.

OSCILLATEURS CRISTAUX BASSE FRÉQUENCE

Les cristaux dans la gamme de 50 kHz à 500 kHz exigent des facteurs distinctifs qui ne sont pas repérés dans les cristaux HF coupés AT ou BT les plus courants.

La résistance en série similaire est beaucoup plus grande et leur dissipation admissible est limitée à moins de 100 microwatts, idéalement 50 microwatts ou moins.

Le circuit de la figure 5 est un oscillateur en mode série. Il offre l'avantage de ne pas avoir besoin d'un circuit accordé et propose un choix de sortie sinusoïdale ou carrée. Pour les cristaux dans le spectre de 50-150 kHz, les transistors 2N3565 sont conseillés même si l'éditeur trouve le BC107 raisonnable.

Les deux variétés peuvent convenir pour les cristaux dans la plage de 150 kHz à 500 kHz. Si vous pensez que le cristal comprend une grande résistance série équivalente, vous pouvez augmenter la valeur de R1 à 270 ohms et de R2 à 3,3 k.

Pour les opérations d'onde carrée, C1 est 1 uF (ou peut-être une magnitude à côté, ou plus grande que celle-ci). Pour la sortie sinusoïdale, C1 n'est pas en circuit.

Le contrôle de l'amplitude est inutile. La sortie d'onde sinusoïdale est d'environ 1 V eff., La sortie de dérivation carrée autour de 4 V crête à crête.

Le circuit de la figure 6 est en fait un type révisé de l'oscillateur Colpitts, avec l'inclusion de la résistance Rf pour réguler la rétroaction. Les condensateurs C1 et C2 doivent être minimisés par des magnitudes calculées lorsque la fréquence est augmentée.

À 500 kHz, les valeurs pour C1 et C2 doivent être d'environ 100 pF et 1500 pF respectivement. Le circuit tel que prouvé offre une sortie sinusoïdale en utilisant la deuxième harmonique environ 40 dB plus bas (ou plus).

Ceci est souvent minimisé par un ajustement attentif de Rf et C1. Rappelez-vous que, avec une quantité réduite, une rétroaction est essentielle pour y parvenir, il faut environ 20 secondes à l'oscillateur pour atteindre sa pleine puissance.

La sortie est d'environ 2 à 3 volts crête à crête. Lorsque vous avez besoin d'une sortie chargée d'harmoniques, l'inclusion facile d'un condensateur de 0,1 uF sur la résistance de l'émetteur y parviendra. La sortie augmente ensuite jusqu'à environ 5 V crête à crête.

La tension d'alimentation peut être diminuée dans de tels cas pour réduire la dissipation des cristaux. D'autres transistors peuvent être utilisés, bien que la polarisation et la rétroaction puissent devoir être ajustées. Pour les cristaux acérés conçus pour osciller dans des modes autres que ceux que vous souhaitez, le circuit de la figure 7 est fortement suggéré

La rétroaction est régie par un robinet le long de la charge du capteur de Q1. Le confinement d'amplitude est important pour maintenir la dissipation des cristaux à l'intérieur des limites. Pour les cristaux de 50 kHz, la bobine doit être de 2 mH et son condensateur de résonance 0,01 uF. La sortie est d'environ 0,5 V efficace, essentiellement une onde sinusoïdale.

L'utilisation d'un émetteur suiveur ou d'un tampon suiveur source est fortement recommandée.

Dans le cas où un cristal en mode parallèle est utilisé, le condensateur de 1000 pF indiqué en série avec le cristal doit être remplacé par la capacité de charge sélectionnée du cristal (généralement 30, 50 à 100 pF pour ces types de cristaux).

CIRCUITS D'OSCILLATEUR EN CRISTAL HF

Les conceptions à l'état solide pour les cristaux HF coupés AT bien connus ont tendance à être légion. Mais les résultats ne sont pas nécessairement ce à quoi vous pourriez vous attendre. La majorité des cristaux essentiels jusqu'à 20 MHZ sont généralement choisis pour un fonctionnement en mode parallèle.

Néanmoins, ce type de cristaux peut être utilisé dans des oscillateurs en mode série en positionnant la capacité de charge souhaitée en série avec le cristal comme indiqué précédemment. Les deux types de circuits sont décrits ci-dessous.

Un bon oscillateur pour une plage de 3 à 10 MHz qui ne nécessite pas de circuit accordé est présenté sur la figure 8 (a). Il s'agit bien entendu du même circuit que la figure 6. Le circuit fonctionne extrêmement bien jusqu'à 1 MHz lorsque C1 et C2 sont respectivement supérieurs à 470 pF et 820 pF. Il peut être utilisé à 15 MHz dans le cas où C1 et C2 sont réduits à 120 pF et 330 pF. respectivement.

Ce circuit est conseillé à des fins non critiques dans lesquelles une sortie harmonique importante est souhaitée ou non une option. L'inclusion d'un circuit accordé comme en 8b minimise considérablement la sortie harmonique.

Un circuit accordé ayant un Q substantiel est généralement recommandé. Dans un oscillateur à 6 MHz, nous avons atteint les résultats ci-dessous. Avoir une bobine Q de 50 la 2ème harmonique était de 35 dB tout le long.

Ayant un Q de 160, il était de -50 dB! La résistance Rf pourrait être modifiée (augmenter un peu) pour améliorer cela. La sortie est en outre augmentée à l'aide d'une bobine à Q élevé.

Comme précédemment observé, avec une rétroaction réduite, il faut plusieurs dizaines de secondes pour atteindre 100% de sortie à la mise sous tension, même dans ce cas, la stabilité de la fréquence est fantastique.

Le fonctionnement à différentes fréquences peut être obtenu en ajustant efficacement les condensateurs et la bobine.

Ce circuit (Fig. 8) pourrait également être transformé en un VXO extrêmement utile. Une petite inductance est définie en série avec le cristal et l'un des condensateurs du circuit de rétroaction est utilisé comme type variable.

Un condensateur de réglage d'émetteur commun à deux gangs 10-415 pF exécutera parfaitement la tâche. Chaque gang est connecté en parallèle.

La plage d'accord est déterminée par le cristal, l'inductance de L1 et la fréquence. Une plage plus large est généralement accessible en utilisant les cristaux de fréquence plus élevée. La stabilité est extrêmement bonne, se rapprochant de celle du cristal.

UN OSCILLATEUR-MULTIPLICATEUR VHF

Le circuit de la figure 10 est une version modifiée de l'oscillateur harmonique «d'inversion d'impédance». En règle générale, en appliquant le circuit d'inversion d'impédance, le collecteur est soit non accordé soit mis à la terre pour RF.

Le collecteur pourrait être accordé à deux fois ou 3 fois la fréquence du cristal afin de minimiser la sortie à la fréquence du cristal, un circuit accordé 2x est proposé.

VOUS NE DEVEZ JAMAIS régler le collecteur sur la fréquence du cristal, sinon le circuit peut osciller avec une fréquence qui peut être hors du contrôle du cristal. Vous devez maintenir le fil du collecteur très petit et un à un autant que vous le pouvez.

Les résultats finaux en utilisant ce type de circuit étaient excellents. Presque toutes les sorties en plus de la sortie souhaitée avaient été à -60 dB ou plus.

La production de bruit atteint au moins 70 dB sous la puissance souhaitée. Cela crée un oscillateur de conversion exceptionnel pour les convertisseurs VHF / UHF.

Pratiquement 2 V de RF peuvent être obtenus sur le terminal chaud de L3 (original de l'auteur à 30 MHz). Une alimentation régulée Zener fortement recommandée.

Comme indiqué dans le diagramme, diverses valeurs de circuit sont essentielles pour divers transistors. Les écarts dans une structure spécifique pourraient également nécessiter des modifications. L1 peut être utilisé pour déplacer le cristal sur la fréquence. Des modifications mineures de la fréquence (environ 1 ppm) ont lieu lors du réglage de L2 et L3 ainsi que de l'utilisation des variations de charge. Cela dit, dans de vrais tests, ces choses pourraient être insignifiantes.