Осцилатор кварцног кристала

У нашим претходним водичима за РЦ фазни помак и Веин Бридге осцилатор, добили смо поштену представу о томе шта је осцилатор. Осцилатор је механичка или електронска конструкција која производи осцилације у зависности од неколико променљивих. Пропер Добар осцилатор производи стабилну фреквенцију.

У случају осцилатора РЦ (отпорник-кондензатор) или РЛЦ (отпорник-индуктор-кондензатор), они нису добар избор тамо где су потребне стабилне и тачне осцилације. Промене температуре утичу на оптерећење и вод напајања, што опет утиче на стабилност кола осцилатора. Стабилност се може побољшати на одређени ниво у случају РЦ и РЛЦ кола, али ипак побољшање није довољно у одређеним случајевима.

У таквој ситуацији користи се кварцни кристал. Кварц је минерал који се састоји од атома силицијума и кисеоника. Реагује када се извор напона примени на кварцни кристал. Производи карактеристику, идентификовану као Пиезо-електрични ефекат. Када се на њега примени извор напона, он ће променити облик и произвести механичке силе, а механичке силе се враћају назад и производе електрични набој.

Како електричну енергију претвара у механичку, а механичку у електричну, назива се претварачима. Ове промене производе врло стабилне вибрације, а како Пиезо-електрични ефекат производи стабилне осцилације.

Кварцни кристал и његов еквивалентни круг

Ово је симбол кристалног осцилатора. Кварцни кристал је направљен од танког комада кварцне плочице чврсто постављеног и контролисаног између две паралелне метализоване површине. Метализиране површине су направљене за електричне везе, а физичка величина и густина кварца, као и дебљина, строго се контролишу, јер промене облика и величине директно утичу на фреквенцију осциловања. Једном када се обликује и контролише, произведена фреквенција је фиксна, основна фреквенција не може се променити у друге фреквенције. Ова специфична фреквенција за одређени кристал назива се карактеристична фреквенција.

На горњој слици, лево коло представља еквивалентно коло кварцног кристала, приказано на десној страни. Као што видимо, користе се 4 пасивне компоненте, два кондензатора Ц1 и Ц2 и један индуктор Л1, отпорник Р1. Ц1, Л1, Р1 су повезани серијски, а Ц2 паралелно.

Серијско коло које се састоји од једног кондензатора, једног отпорника и једног индуктора симболизује контролисано понашање и стабилне операције кристала и паралелног кондензатора, Ц2 представља паралелни капацитет кола или еквивалентног кристала.

На радној фреквенцији Ц1 резонира са индуктивитетом Л1. Ова радна фреквенција се назива серијска фреквенција кристала (фс). Због ове серијске фреквенције секундарна тачка фреквенције препозната паралелном резонанцом. Л1 и Ц1 такође резонирају са паралелним кондензатором Ц2. Паралелни кондензатор Ц2 се често описује као назив Ц0 и назива се шантовани капацитет кварцног кристала.

Излазна импеданција кристала према фреквенцији

Ако применимо формулу реактанције на два кондензатора, тада ће за серијски кондензатор Ц1 капацитивна реактанција бити: -

Кс _Ц1 = 1 / 2πфЦ ₁

Где, Ф = фреквенција и Ц1 = вредност серијског капацитета.

Иста формула важи и за паралелни кондензатор, капацитивна реактанса паралелног кондензатора биће: -

Кс _Ц2 = 1 / 2πфЦ ₂

Ако видимо граф односа између излазне импедансе и фреквенције, видећемо промене у импеданси.

На горњој слици видимо кривуљу импедансе кристалног осцилатора и такође видимо како се овај нагиб мења када се фреквенција мења. Постоје две тачке, једна је серијска резонантна тачка фреквенције, а друга паралелна резонантна тачка фреквенције.

У тачки серијске резонантне фреквенције импеданција је постала минимална. Серијски кондензатор Ц1 и серијски индуктор Л1 стварају серијску резонанцу која је једнака серијском отпорнику.

Дакле, на овој серији резонантних фреквенција догодиће се следеће ствари: -

Импеданса је минимална у поређењу са осталим временима фреквенције.
Импеданса је једнака серијском отпорнику.
Испод ове тачке кристал делује као капацитивни облик.

Даље се фреквенција мења и нагиб се полако повећава до максималне тачке на паралелној резонантној фреквенцији, у овом тренутку, пре него што достигне паралелну резонантну тачку фреквенције, кристал делује као серијски индуктор.

Након достизања паралелне тачке фреквенције, нагиб импедансе достиже максимум у вредности. Паралелни кондензатор Ц2 и серијски индуктор стварају ЛЦ круг резервоара и тиме је излазна импеданса постала велика.

Тако се кристал понаша као индуктор или попут кондензатора у серији и паралелној резонанци. Кристал може радити на обе резонантне фреквенције, али не истовремено. Потребно је подесити било који одређени за рад.

Кристални реактанс против фреквенције

Серија реактансе кола може се мерити помоћу ове формуле: -

Кс _С = Р2 + (КСЛ ₁ - КСЦ ₁) ²

Где је Р вредност отпора

Ксл1 је серијска индуктивност кола

Ксц1 је серијски капацитет круга.

Паралелна капацитивна реактанса кола биће: -

Кс _ЦП = -1 / 2πфЦп

Паралелна реактанција кола биће: -

Ксп = Ксс * Ксцп / Ксс + Ксцп

Ако видимо граф, изгледаће овако: -

Као што видимо у горњем графикону да је серијска реактанција у тачки серијске резонанце обрнуто пропорционална Ц1, у тачки од фс до фп кристал делује као индуктивни, јер у овом тренутку две паралелне капацитивности постају занемариве.

С друге стране, кристал ће бити у капацитивном облику када је фреквенција изван фс и фп тачака.

Серијску резонантну фреквенцију и паралелну резонантну фреквенцију можемо израчунати помоћу ове две формуле -

К фактор за кварцни кристал:

К је кратки облик Квалитета. То је важан аспект резонанце кристалног кварца. Овај К фактор одређује стабилност фреквенције Цристал-а. Генерално, К фактор кристала има опсег од 20 000 до више од 100 000. Понекад је приметан и К фактор кристала више од 200.000.

К фактор кристала може се израчунати помоћу следеће формуле -

К = Кс _Л / Р = 2πфсЛ ₁ / Р

Где је Кс _Л реактанција индуктора, а Р отпор.

Пример кварцног кристалног осцилатора са прорачуном

Израчунаћемо серију резонантних фреквенција кристала кварца, паралелну резонантну фреквенцију и фактор квалитета кристала када буду доступне следеће тачке -

Р1 = 6.8Р

Ц1 = 0.09970пФ

Л1 = 3мХ

А Ц2 = 30пФ

Серијска резонантна фреквенција кристала је -

Кристална паралелна резонантна фреквенција, фп је -

Сада можемо да разумемо да је серијска резонантна фреквенција 9,20 МХз, а паралелна резонантна фреквенција 9,23 МХз

К фактор овог кристала ће БЕ-

Кристални осцилатор Цолпиттс

Кристално осцилаторно коло конструисано помоћу биполарног транзистора или различитих врста ФЕТ-ова. На горњој слици приказан је осцилатор Колпитса; капацитивни напон шестар се користи за повратне информације. Транзистор К1 је у уобичајеној конфигурацији емитора. У горњем кругу Р1 и Р2 се користе за одступање транзистора, а Ц1 се користи као бајпас кондензатор који штити базу од РФ буке.

У овој конфигурацији кристал ће деловати као шант због везе од колектора до земље . То је паралелно резонантна конфигурација. Кондензатори Ц2 и Ц3 се користе за повратне информације. Кристал К2 је повезан као паралелни резонантни круг.

Излазно појачање је мало у овој конфигурацији како би се избегло прекомерно расипање снаге у кристалу.

Кристални осцилатор Пиерце

Друга конфигурација која се користи у осцилатору кварцног кристала, где се транзистор мења у ЈФЕТ ради појачања, где је ЈФЕТ у врло високим улазним импедансама када је кристал повезан у одвод са капијом помоћу кондензатора.

На горњој слици приказано је коло Пиерце кристалног осцилатора. Ц4 пружа потребне повратне информације у овом колу осцилатора. Ова повратна информација је позитивна повратна информација која представља фазни помак од 180 степени на резонантној фреквенцији. Р3 контролише повратну спрегу и кристал пружа потребне осцилације.

Осцилатору Пиерце кристала је потребно минимално бројање компонената и због тога је пожељан избор тамо где је простор ограничен. Дигитални сат, тајмери и разни сатови користе пробојни круг кристалног осцилатора. Излазна амплитуда синусног таласа до вршне вредности ограничена је опсегом напона ЈФЕТ.

ЦМОС осцилатор

Основни осцилатор који користи паралелно-резонантну конфигурацију кристала може се направити помоћу ЦМОС претварача. ЦМОС претварач се може користити за постизање потребне амплитуде. Састоји се од обрнутог Сцхмиттовог окидача попут 4049, 40106 или транзистор-транзисторске логике (ТТЛ) чипа 74ХЦ19 итд.

На горњој слици је коришћен 74ХЦ19Н који делује као Сцхмиттов окидач у инвертујућој конфигурацији. Кристал ће пружити неопходне осцилације у серијској резонантној фреквенцији. Р1 је повратни отпорник за ЦМОС и пружа висок К фактор са високим могућностима појачања. Други 74ХЦ19Н је појачивач који пружа довољан излаз за оптерећење.

Претварач ради на излазу фазног помака од 180 степени, а К1, Ц2, Ц1 пружају додатни фазни помак од 180 степени. Током процеса осциловања фазни помак увек остаје 360 степени.

Овај ЦМОС кристални осцилатор пружа излаз квадратних таласа. Максимална излазна фреквенција је одређена преклопном карактеристиком ЦМОС претварача. Излазна фреквенција се може променити помоћу вредности кондензатора и вредности отпорника. Ц1 и Ц2 морају бити исте вредности.

Пружање сата микропроцесору помоћу кристала

Како различита употреба осцилатора кварцног кристала укључује дигиталне сатове, тајмере итд., Такође је погодан избор за обезбеђивање стабилног осцилационог сата на микропроцесорима и процесорима.

Микропроцесору и ЦПУ је потребан стабилан улаз сата за рад. Кварцни кристал се широко користи у ове сврхе. Кварцни кристал пружа високу тачност и стабилност у поређењу са осталим РЦ или ЛЦ или РЛЦ осцилаторима.

Генерално се тактна фреквенција користи за микроконтролер или се ЦПУ креће од КХз до Мхз. Ова тактна фреквенција одређује колико брзо процесор може да обрађује податке.

Да би се постигла ова фреквенција, користи се серијски кристал који се користи са мрежом са два кондензатора исте вредности преко улаза осцилатора одговарајућег МЦУ-а или ЦПУ-а.

На овој слици можемо видети да кристал са два кондензатора формира мрежу и повезан преко јединице микроконтролера или централне процесорске јединице преко ОСЦ1 и ОСЦ2 улазног пина. Генерално се сви микроконтролери или процесори састоје од ова два пина. У неким случајевима су доступне две врсте ОСЦ пинова. Један је за примарни осцилатор за генерисање сата, а други за секундарни осцилатор који се користи за друге секундарне радове где је потребна секундарна такт фреквенција. Вредност кондензатора се креће од 10пФ до 42 пФ, све између 15пФ, 22пФ, 33пФ се широко користи.