Experiment on Super VXO
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普通のVXO、およびスーパーVXOの周波 数可変範囲を調べる実験をやってみました。スーパーVXOはJA0AS(故 清水 勲 氏)とJH1FCZ(大久保 忠 氏)によって考案されたものです。

図(a)が実験に使った回路図です。X1とX2は表示周波数14.218MHzのHC18/U型の 水晶発振子で、X1だけの場合(普通のVXO)、X1とX2を並列につないだもの (スーパーVXO)両方の場合について測定しました。Lに並列に入れてある22キ ロオームの抵抗は周波数が跳んだり履歴現象が起こらないようにするためのも のです。バイアス抵抗RBは100キ ロオームにしました。この時Q1のエミッタ電流は9mAでした。C1とC2は共に 150pFにしました。RBとC1、C2については実験の最後で違う値を試みています。 TCは最大値100pFのプラスチック絶縁体のトリマーコンデンサです。最小値は 不明ですがおそらく数pFでしょう。

図(b)がLを変えた時の可変範囲(トリマコンデンサを最小と最大にして 求める)測定の結果です。普通のVXOとスーパーVXOの違いは歴然としています。 スーパーVXOでは可変範囲は何と300kHzにも及びます。 しかし、良いことばかりではありません。

いろいろなLの値の時、周波数の時間変化を調べた結果が図(c)に示してあります。 半田づけの後25分待って電源を入れて測定を始めます。L=10uH はまあまあ許 せるものの、L=10.39uHや11uHの時は変動が大きくまるでVFOのようです。 おそらく、Lの温度依存性が影響していると思います。因みに、この二つのLの 値についてはこの値のものがなかったので、図(c)に示したようにふたつのLを 直列接続して用いています。 可変範囲と安定度をはかりにかけてL=10uH あたりで我慢するのがいい のではないかと思います。しかしもっと大きなLでも、もう少し待てば安定す るかも知れませんし、温度依存性の少ないLを使うことも考えられます。

図(d)は、C1とC2を同時にいろいろ変えた時に可変範囲の変わる様子を示して います。C1とC2を大きくすると可変範囲も大きくなりますが、図(e)に示すよ うに発振出力電圧Voutも小さくなります。 C1=C2=330pFでは小さくなり過ぎて 測定できませんでした。100〜150pFというのは良い選択だと思います。

最後に、バイアス抵抗 RB を変えてみました。当初の100キロオームから 200 キロオームにするとエミッタ電流は9mAから5.2mAに減少しましたが、可変範囲 には影響ありませんでした。但し、発振出力電圧Voutが0.7Vp-pから0.3Vp-pに 減少しました。 RB をさらに大きくして470キロオームにしたら、エミッタ電流が2.4mAになり、 Voutが小さくなり過ぎて測定不能となってしまいました。

結論として、スーパーVXOではL=10uHで可変範囲約100 kHz が得られました。 周波数の安定度はそこそこですが、Lを大きくすると安定度は悪くなります。 C1とC2を大きくすると可変範囲は大きくなります。しかし、Q1のバイアスを変 えても可変範囲は変わりませんでした。

注意しなくてはならないことは、ここで得られた結果は使った水晶発振子に特 有のものであることです。違うパラメータの水晶発振子や違う周波数の水晶発 振子を使えば、最適なLやC1、C2の値も異なってきます。 実際に使う水晶発振子で実験してみる必要があります。

An experiment on VXO is done to investigate frequency coverage of an ordinary VXO and a super VXO. The super VXO was invented and named by JA0AS(I. Shimizu, Silent Key) and JH1FCZ(T. Okubo).

Figure(a) shows the schematic diagram of the experiment. X1 and X2 are HC18/U X'tals of nominal frequency 14.218 MHz. In the experiment, only X1 is connected in the place shown in the diagram for measurements of ordinary VXO. For measurements of super VXO, X2 is added in parallel to X1. Inductance L is the main parameter of this experiment. A 22-kilo ohm resistor is added in parallel to L in order to avoid a frequency skip or hysteresis. Q1 is a small signal general purpose transistor with fT = 80MHz. Q2 is a small signal cascode MOS FET with gm = 10 mS. The bias resistor RB was chosen to be 100 kilo ohms. With this value, emitter current of 9 mA flowed in Q1. C1 and C2 were both chosen to be 150pF. RB, C1 and C2 of different values were also tried at the end of this experiment. TC is a plastic trimmer capacitor with maximum capacitance of 100pF. Minimum capacitance is not known, supposedly several pF.

Results are shown in figure(b) on the frequency coverage as measured by varying TC from its minimum value to 100pF. The measurements were done with L of 5.6, 8.2, 10, 10.39, 11 and 12 uH. For 10.39uH, two inductors 10uH and 0.39uH are used in seires. For 11uH, 10uH and 1uH in series. A difference is prominent between ordinary VXO and super VXO. As L is increased, the coverage of ordinary VXO did not increase so much, while the coverage of super VXO increased rapidly up to about 300 kHz(!) with L=12uH. However, we have to be careful about that wide coverage.

See figure(c). Drift of the frequency in time is measured for L=10, 10.39, and 11uH. In this measurement, X1 and X2 are used in parallel, and TC is set at 100pF. A batch of measurements with a certain value of L was started 25 minutes after the soldering, and power supply was switched on just before the start of the batch. While the frequency with L=10uH is acceptably stable in time, the frequency is jumping or drifting considerably with L=10.39 and 11uH. The drift of the frequency is most probablly due to the temperature coefficient of the inductors, and due to the VFO-like nature of the oscillator. I would stop at L=10uH for the stable operation although you might eventually get better stability with larger L's if you wait longer time or if you use inductors with small temperature coefficients.

Now, I play a little with the capacitance of C1 and C2. All other parameters are fixed at RB=100kilo ohms, L=10uH, and X1, X2 in parallel. Figure (d) shows the frequency coverage as a function of capacitance of C1 and C2. C1 and C2 are varied simultaneously. You see that the coverage gets wider as the capacitance is increased. The measurement with C1=C2=330pF was not possible because Vout(output voltage to the frequency counter) got too small as is shown in figure(e). 100 to 150pF may be a good choice.

Finally, the bias resistor RB was varied. Other conditions, C1=C2=150pF, L=10uH, and X1, X2 in parallel were kept. Originally, RB was set at 100kilo ohms and emitter current was 9mA. This time, RB was cahnged to 200kilo ohms, then emitter current decreased to 5.2mA. The frequency coverage did not change although Vout decreased from 0.7Vp-p to 0.3Vp-p. RB was further increased to 470kilo ohms, then emitter current decreased to 2.4mA. However, Vout got too low, less than 0.1Vp-p with this low current. Therefore, frequency measurement was not possible.

In conclusion, frequency coverage of about 100 kHz was obtained with L=10uH, C1=C2=150pF, X1 and X2 put together in parallel and RB=100kilo ohms. The stability was acceptable, but got worse with larger L's. The coverage got wider as C1 and C2 were set at larger values but did not depend on the bias of Q1.

It should be emphasized that these results are more or less specific to the X'tals used in the present experiment. Optimum values for L, C1 and C2 may differ from the values obtained in this experiment if X'tals with different parameters or different frequencies are used. You need to do an experiment to optimize the parameters for your X'tals.

MINOWA, Makoto
7N3WVM
Last revised 1997-09-30.