Kristal Ossillator: Skema, Frekwensie & Werkprinsipe
Kristalosillerators werk op die beginsel van die inverse piezoelektriese effek waarin 'n wisselvoltage wat oor die kristalvlakke aangebring word, dit laat tril op sy natuurlike frekwensie. Dit is hierdie vibrasies wat uiteindelik omgeskakel word na osillasies.
Hierdie osillerators word gewoonlik gemaak van kwartskristal, alhoewel ander stowwe soos Rochelle-sout en Tourmalien ook die piezoelektriese effek vertoon, omdat kwarts goedkoop, natuurlik beskikbaar en meganies sterk is in vergelyking met ander stowwe.
In kristalosillerators word die kristal gepas gesny en tussen twee metalliese plaatjies geplaas soos deur Figuur 1a getoon, waarvan die elektriese ekwivalent deur Figuur 1b getoon word. In werklikheid gedra die kristal soos 'n reeks RLC-sirkel, gevorm deur die komponente
'n laagwaardige weerstand RS
'n grootwaardige spoel LS
'n kleinwaardige kondensator CS
wat parallel sal wees met die kapasitansie van sy elektrodes Cp.
As gevolg van die teenwoordigheid van Cp, sal die kristal op twee verskillende frekwensies resoneer, naamlik,
Reeksresonansiefrekwentie, fs wat voorkom as die reekskapasitansie CS resoneer met die reeksspoel LS. Op hierdie stadium sal die kristalimpedansie die laagste wees en dus die hoeveelheid terugvoer die grootste. Die wiskundige uitdrukking hiervoor word gegee as
Parallelresonansiefrekwentie, fp wat voorkom as die reaktansie van die LSCS been gelyk is aan die reaktansie van die parallelkondensator Cp d.w.s. LS en CS resoneer met Cp. Op hierdie oomblik sal die kristalimpedansie die hoogste wees en dus die terugvoer die minste. Wiskundig kan dit gegee word as
Die gedrag van die kondensator sal kapasitief wees sowel onder fS as bo fp. Echter, vir die frekwensies wat tussen fS en fp lê, sal die kristal se gedrag induktief wees. Verder, as die frekwensie gelyk is aan die parallelresonansiefrekwentie fp, dan sal die interaksie tussen LS en Cp 'n parallel gestimuleerde LC-tank-sirkel vorm. Daarom kan 'n kristal beskou word as 'n kombinasie van reeks- en parallelgestimuleerde resonansiesirkels, waaraan een van die twee moet gestimuleer word. Verder is dit belangrik om te onthou dat fp hoër sal wees as fs en die nabyheid tussen die twee sal bepaal word deur die sny- en afmetings van die gebruikte kristal.
Kristalosillerators kan ontwerp word deur die kristal in die sirkel aan te sluit sodat dit lae impedansie bied wanneer dit in reeksresonansie-modus bedryf word (Figuur 2a) en hoë impedansie bied wanneer dit in antiresonansie- of parallelresonansie-modus bedryf word (Figuur 2b).
In die sirkels wat getoon word, vorm die weerstande R1 en R2 die spanningsdeeler-netwerk terwyl die emitterweerstand RE die sirkel stabiliseer. Verder funksioneer CE (Figuur 2a) as 'n AC-bypasskondensator terwyl die koppelingkondensator CC (Figuur 2a) gebruik word om DC-seintegnatie tussen die kollektor- en basis-terminals te blokkeer.
Daarnaast vorm die kondensatore C1 en C2 die kapasitiewe spanningsdeeler-netwerk in die geval van Figuur 2b. Daarbenewens is daar ook 'n Radio Frekwensspoel (RFC) in die sirkels (beide in Figuur 2a en 2b) wat 'n dubbel voordeel bied, want dit verskaf selfs die DC-spanning asook bevry die sirkel-uitset van die effek van die AC-sein op die kraglyne.
Wanneer krag aan die osillerator gegee word, neem die amplitude van die osillasies in die sirkel toe totdat 'n punt bereik word waarin die nie-lineere eienskappe van die versterker die loopversterkingsverhouding tot eenheid verlaag.
Vervolgens, wanneer die toestand gestabiliseer is, beïnvloed die kristal in die terugvoerlus die frekwensie van die bedryfsirkel baie. Verder sal die frekwensie self aanpas om die kristal 'n reaktansie aan die sirkel te laat bied sodat die Barkhausen-fasevereiste vervul word.
In die algemeen sal die frekwensie van die kristalosillerators vasgestel word as die kristal se fundamentele of kenmerkfrequentie, wat bepaal word deur die fisieke grootte en vorm van die kristal.
Echter, as die kristal nie-paralel is of van nie-uniforme dikte, kan dit op meerdere frekwensies resoneer, wat harmoniese veroorsaak.
Verder kan die kristalosillerators gestimuleer word tot óf 'n ewe óf 'n onewe harmoniese van die fundamentele frekwensie, wat onderskeidelik Harmoniese en Overtone Osillerators genoem word.
'n Voorbeeld hiervan is die geval waar die parallelresonansiefrekwentie van die kristal verminder of verhoog word deur 'n kondensator of 'n spoel oor die kristal by te voeg, onderskeidelik.
Die tipiese werkbereik van die kristalosillerators is van 40 KHz tot 100 MHz, waarin die laefrekwensie-osillerators ontwerp word met OpAmps, terwyl die hoëfrekwensie-osillerators ontwerp word met die transistore (BJTs of FETs).
Die frekwensie van die osillasies wat deur die sirkel gegenereer word, word bepaal deur die reeksresonansiefrekwentie van die kristal en sal onaangetas bly deur variasies in die kragspanning, transistorparameters, ens. As gevolg hiervan vertoon kristalosillerators 'n hoë Q-faktor met uitstekende frekwensiestabiliteit, wat hulle die mees geskik maak vir hoëfrekwensietoepassings.
Echter, moet sorg gedra word om die kristal slegs met optimale krag te bestuur. Dit is omdat, as te veel krag aan die kristal gegee word, dan kan parasitaire resonansies in die kristal opgewek word, wat lei tot 'n onstabiele resonansiefrekwentie.
Verder kan selfs die uitsetgolfvorm vervorm word as gevolg van die degradasie in die fase-geluidprestasie. Bovendien kan dit selfs lei tot die vernietiging van die toestel (kristal) as gevolg van oorverhitting.
Kristalosillerators is kompak in grootte en goedkoop, waardoor hulle wyd gebruik word in elektroniese oorlogvoeringstelsels, kommunikasietelsels, leidingsisteme, mikroprosesseurs, mikrobestuurders, ruimtetraaksisteme, meetinstrumente, mediese toestelle, rekenaars, digitale stelsels, instrumentasie, fase-gekoppelde lusstelsels, modems, sensore, skakels, seevaartstelsels, telekomunikasie, motorbestuurstelsels, horlosies, Globale Posisiebepalingstelsels (GPS), kabeltelevisiestelsels, video-kameras, speletjies, videospelletjies, radiosisteme, seltoestelle, tydskakelaars, ens.
