Comprensión de los circuitos del oscilador de cristal

Las configuraciones básicas del circuito del oscilador de cristal de estado sólido están hoy más desarrolladas, siendo casi todos los circuitos modificaciones de los sistemas de tubos de vacío ampliamente reconocidos como el oscilador Pierce, Hartley, Clapp y Butler y funcionan con dispositivos bipolares y FET.

Aunque todos estos circuitos cumplen fundamentalmente con su objetivo diseñado, hay muchas aplicaciones que requieren algo completamente diferente o donde la funcionalidad requiere ser descrita con precisión.

A continuación se enumeran una gama de circuitos, para una variedad de aplicaciones, desde LF hasta la gama VHF, que normalmente no se ven en el uso o los libros de aficionados existentes.

Las técnicas básicas de circuito de oscilador de cristal de estado sólido ya están bien establecidas, la mayoría de los circuitos son adaptaciones de la conocida tecnología de tubos de vacío, como el oscilador Pierce, Hartley, Clapp y Butler, y utilizan dispositivos bipolares y FET.

Si bien estos circuitos cumplen básicamente con su propósito previsto, hay muchas aplicaciones que requieren algo diferente o donde el rendimiento debe caracterizarse de manera confiable.

Aquí se presentan una variedad de circuitos, para una variedad de aplicaciones, desde LF hasta el rango VHF, que no se encuentran comúnmente en el uso o la literatura de aficionados actuales.

MODOS DE OPERACION

Un punto rara vez valorado, o simplemente pasado por alto, es el hecho de que los cristales de cuarzo pueden oscilar en un modo resonante paralelo y un modo resonante en serie. Las dos frecuencias se dividen con una pequeña diferencia, generalmente de 2 a 15 kHz en el rango de frecuencia.

La frecuencia de resonancia en serie es menor en frecuencia en comparación con el paralelo.

Un cristal específico diseñado para su uso en modo paralelo podría aplicarse de manera apropiada en un circuito resonante en serie si un capacitor equivalente en magnitud a su capacitancia de carga exacta (típicamente 20, 30, 50 o 100 pF) se conecta en serie con el cristal.

Desafortunadamente, no es posible invertir la tarea para el cristal resonante en serie en circuitos de modo paralelo. El cristal en modo serie probablemente oscile más allá de su frecuencia calibrada en su situación y es posible que no sea factible cargarlo de manera capacitiva lo suficiente.

Los cristales entonados se ejecutan en el modo de serie generalmente en el tercer, quinto o séptimo sobretono, y el fabricante generalmente calibra el cristal en la frecuencia de sobretonos.

Ejecutar un cristal en el modo paralelo y multiplicar la frecuencia 3 o 5 veces genera un resultado bastante nuevo al operar precisamente el mismo cristal en el modo serie en su tercer o quinto sobretono.

Al comprar cristales armónicos, manténgase alejado del dilema e identifique la frecuencia que le gustaría, en lugar de la frecuencia fundamental aparente.

Los cristales fundamentales dentro del rango de 500 kHz a 20 MHz generalmente se construyen para el funcionamiento en modo paralelo, sin embargo, se puede solicitar el funcionamiento en modo serie.

Para cristales de baja frecuencia de hasta 1 MHz, se puede elegir cualquier modo. Los cristales entonados normalmente cubren el rango de 15 MHz a 150 MHz.

OSCILADORES APERIÓDICOS O DE AMPLIO RANGO

Los osciladores que nunca hacen uso de circuitos sintonizados suelen ser muy útiles, ya sea como 'comprobadores de cristal' o por cualquier otra razón. Especialmente para los cristales LF, los circuitos sintonizados podrían ser bastante grandes.

Por otro lado, por lo general no están exentos de sus propias trampas. Algunos cristales son susceptibles de oscilación en modos indeseables, especialmente los cristales de corte DT y CT destinados a osciladores de cuarzo LF.

Realmente es una buena idea asegurarse de que la salida esté en la frecuencia adecuada y de que no haya una 'inestabilidad de modo' evidente. Minimizar la retroalimentación en las frecuencias más altas normalmente resuelve esto.

En casos especiales, la teoría anterior se puede olvidar y se puede aplicar un oscilador que posea un circuito sintonizado como alternativa (los osciladores de cristal LF se revisan más adelante).

Circuitos de cristal

El primer circuito a continuación es un oscilador acoplado a emisor, una variación del circuito Butler. La salida del circuito en la Fig. 1 es básicamente una onda sinusoidal que disminuye la resistencia del emisor de Q2 y aumenta la salida armónica.

Como resultado, un cristal de 100 kHz genera excelentes armónicos a través de 30 MHz. Es un circuito en modo serie.

Puede emplearse una variedad de transistores. Para cristales por encima de 3 MHz, se recomiendan transistores que tengan un producto de ancho de banda de alta ganancia. Para cristales dentro del surtido de 50 kHz a 500 kHz, se prefieren transistores con alta ganancia de LF, como el 2N3565.

Además, para los cristales dentro de esta selección, la disipación permitida es normalmente inferior a 100 microvatios y la restricción de amplitud puede ser esencial.

Se sugiere una tensión de alimentación reducida, en consonancia con un arranque eficiente. La alteración del circuito mediante la inclusión de diodos como se muestra en la Fig. 3 es una técnica más beneficiosa, y se mejora la eficiencia de arranque.

El circuito va a oscilar hasta 10 MHz usando transistores adecuados y valores de resistencias de emisor. Por lo general, se recomienda un búfer seguidor de emisor o seguidor de fuente.

Comentarios idénticos a los anteriores se relacionan con la Fig. 2. Se incorpora un búfer seguidor de emisor dentro de este circuito.

Los dos circuitos son algo sensibles a la frecuencia y a las variaciones de voltaje de potencia y especificaciones de carga. Se recomienda una carga de 1 kΩ o superior.

TTL lC podría combinarse con circuitos de oscilador de cristal, aunque numerosos circuitos publicados poseen una eficiencia de arranque terrible o experimentan no repetibilidad debido a vastos parámetros en lC's.

El circuito de la Fig. 4 ha sido experimentado por el autor en el rango de 1 MHz a 18 MHz y será recomendado. Este es un oscilador de modo serie y complementa los cristales de corte AT.

La salida es de alrededor de 3 V pico a pico, onda cuadrada hasta alrededor de 5 MHz por encima de la cual esto se convierte en pulsos más similares a los de la mitad del seno. La eficiencia inicial es excelente, lo que parece ser principalmente un factor crítico con los osciladores TTL.

OSCILADORES DE CRISTAL DE BAJA FRECUENCIA

Los cristales dentro del rango de 50 kHz a 500 kHz exigen factores distintivos que no se encuentran en los cristales de corte HF más frecuentes AT o BT.

La resistencia de serie similar es mucho mayor y su disipación permitida está restringida a menos de 100 microvatios, idealmente 50 microvatios o menos.

El circuito de la Fig. 5 es un oscilador en modo serie. Ofrece la ventaja de no necesitar un circuito sintonizado y cuenta con una opción de salida de onda sinusoidal o cuadrada. Para cristales dentro del espectro de 50-150 kHz, se recomiendan transistores 2N3565 a pesar de que el editor considera razonable el BC107.

Ambas variedades pueden ser adecuadas para cristales dentro del rango de 150 kHz a 500 kHz. Si cree que el cristal incluye una gran resistencia en serie equivalente, puede aumentar el valor de R1 a 270 ohmios y R2 a 3,3 k.

Para operaciones de onda cuadrada, C1 es 1 uF (o quizás una magnitud al lado o más grande que ella). Para la salida de onda sinusoidal, C1 no está en circuito.

El control de amplitud es innecesario. La salida de onda sinusoidal es de aproximadamente 1 V rms, la salida de renuncia cuadrada alrededor de 4 V pico a pico.

El circuito de la Fig. 6 es en realidad un tipo revisado de oscilador Colpitts, con la inclusión de la resistencia Rf para regular la retroalimentación. Los condensadores C1 y C2 deben minimizarse mediante magnitudes calculadas a medida que aumenta la frecuencia.

A 500 kHz, los valores para C1 y C2 deben ser aproximadamente 100 pF y 1500 pF correspondientemente. El circuito probado ofrece una salida de onda sinusoidal utilizando el segundo armónico alrededor de 40 dB más bajo (o más alto).

Esto a menudo se minimiza mediante el ajuste consciente de Rf y C1. Recuerde que, en la cantidad disminuida, la retroalimentación es esencial para lograr esto, se requieren alrededor de 20 segundos para que el oscilador alcance la salida completa.

La salida es de alrededor de 2 a 3 voltios pico a pico. Cuando necesite una salida cargada con armónicos, la fácil inclusión de un capacitor de 0.1 uF sobre la resistencia del emisor lo logrará. Posteriormente, la salida aumenta a alrededor de 5 V pico a pico.

El voltaje de la fuente de alimentación podría reducirse en tales casos para reducir la disipación del cristal. Se pueden usar otros transistores, aunque es posible que sea necesario modificar el sesgo y la retroalimentación. Para cristales cascarrabias diseñados para oscilar en modos además de los que le gustaría, el circuito de la figura 7 sugirió fuertemente

La retroalimentación se rige por una toma a lo largo de la carga del colector de Q1. El confinamiento de la amplitud es importante para mantener la disipación del cristal dentro de los límites. Para cristales de 50 kHz, la bobina debe ser de 2 mH y su condensador resonante de 0,01 uF. La salida es de aproximadamente 0,5 V rms, fundamentalmente una onda sinusoidal.

Se recomienda encarecidamente la utilización de un búfer seguidor de emisor o seguidor de fuente.

En caso de que se utilice un cristal en modo paralelo, el capacitor de 1000 pF indicado en serie con el cristal debe cambiarse a la capacitancia de carga seleccionada del cristal (típicamente 30, 50 a 100 pF para estos tipos de cristales).

CIRCUITOS OSCILADORES DE CRISTAL DE HF

Los diseños de estado sólido para los conocidos cristales de HF de corte AT tienden a ser innumerables. Pero los resultados no son necesariamente los que cabría esperar. La mayoría de los cristales esenciales de hasta 20 MHZ se eligen típicamente para el funcionamiento en modo paralelo.

Sin embargo, este tipo de cristales se puede utilizar en osciladores en modo serie colocando la capacitancia de carga deseada en serie con el cristal como se indicó anteriormente. Los dos tipos de circuito se analizan a continuación.

En la figura 8 (a) se presenta un buen oscilador para un rango de 3 a 10 MHz que no exige un circuito sintonizado. Naturalmente, es el mismo circuito que la figura 6. El circuito funciona extremadamente bien hasta 1 MHz cuando C1 y C2 son superiores a 470 pF y 820 pF respectivamente. Puede utilizarse a 15 MHz en caso de que C1 y C2 disminuyan a 120 pF y 330 pF. respectivamente.

Este circuito se recomienda para fines no críticos en los que se desea una gran salida de armónicos o no es una opción. La inclusión de un circuito sintonizado como en 8b minimiza significativamente la salida de armónicos.

Generalmente se recomienda un circuito sintonizado que tenga una Q sustancial. En un oscilador de 6 MHz, hemos obtenido los siguientes resultados. Teniendo una bobina Q de 50, el segundo armónico fue de 35 dB hasta el final.

Teniendo una Q de 160, ¡había sido -50 dB! La resistencia Rf podría modificarse (aumentar un poco) para mejorar esto. La salida se eleva adicionalmente usando una bobina de Q alta.

Como se observó anteriormente, con una retroalimentación disminuida, se requieren varias decenas de segundos para lograr una salida del 100% desde el encendido, aun así, la estabilidad de frecuencia es fantástica.

El funcionamiento a diferentes frecuencias se puede lograr ajustando los condensadores y la bobina de manera efectiva.

Este circuito (Fig. 8) también podría transformarse en un VXO extremadamente útil. Una pequeña inductancia se define en serie con el cristal y uno de los condensadores dentro del circuito de retroalimentación se utiliza como tipo variable.

Un condensador común de sintonización de transmisor 10-415 pF de dos bandas realizará la tarea perfectamente. Cada banda está conectada en paralelo.

El rango de sintonía está determinado por el cristal, la inductancia de L1 y la frecuencia. Generalmente se puede acceder a un rango más amplio utilizando cristales de mayor frecuencia. La estabilidad es extremadamente buena, acercándose a la del cristal.

UN MULTIPLICADOR DE OSCILADORES VHF

El circuito de la figura 10 es una versión modificada del oscilador armónico de 'inversión de impedancia'. Normalmente, al aplicar el circuito de inversión de impedancia, el colector no está sintonizado o conectado a tierra para RF.

El colector podría sintonizarse dos o tres veces la frecuencia del cristal para minimizar la salida en la frecuencia del cristal, se propone un circuito sintonizado 2x.

NUNCA DEBE sintonizar el colector a la frecuencia del cristal, o de lo contrario el circuito puede oscilar con una frecuencia que puede estar fuera del control del cristal. Debe mantener el cable del colector muy pequeño y uno a uno tanto como pueda.

Los resultados finales con este tipo de circuito fueron excelentes. Casi todas las salidas, además de la salida deseada, habían sido de -60 dB o más.

La producción de ruido alcanza al menos 70 dB por debajo de la salida deseada. Esto crea un oscilador de conversión excepcional para convertidores VHF / UHF.

Se pueden obtener prácticamente 2 V de RF en el terminal caliente de L3 (original del autor a 30 MHz). Se recomienda encarecidamente un suministro regulado por Zener.

Como se señala en el diagrama, varios valores de circuito son esenciales para varios transistores. Los desvíos en una estructura específica también podrían requerir modificaciones. L1 puede usarse para mover el cristal en frecuencia. Se producen pequeñas modificaciones en la frecuencia (aproximadamente 1 ppm) al ajustar L2 y L3, así como al usar variaciones de carga. Dicho esto, en las pruebas reales, estas cosas podrían ser insignificantes.