Кристален осцилатор: схема, честота и принцип на действие

Кристалните осцилатори работят по принципа на обратния пьезоелектричен ефект, при който променящото се напрежение, приложено върху повърхността на кристала, го кара да вибрира с неговата собствена честота. Тези вибрации се преобразуват в осцилации.

Тези осцилатори обикновено са направени от кварц, макар други вещества като солта Рокел и турмалин също да изпълняват пьезоелектричния ефект, защото кварцът е евтин, наличен и механично по-здрав в сравнение с другите.

В кристалните осцилатори, кристалът е подреден и закрепен между две метални плочи, както е показано на фигура 1a, чиято електрически еквивалент е показан на фигура 1b. В реалността, кристалът се държи като сериен RLC контур, формиран от компонентите

1. Нисковалентен резистор RS

2. Високовалентна индуктивност LS

3. Малко валентен кондензатор CS

които ще бъдат успоредни с емпиричната емпиричност на техните електроди Cp.

При наличието на Cp, кристалът ще резонира на две различни честоти, а именно,

1. Сериозно резонансно честота, fs която се случва, когато сериозната емпиричност CS резонира с сериозната индуктивност LS. В този момент, импедансът на кристала ще бъде най-малък и следователно количеството обратна връзка ще бъде най-голямо. Математическият израз за това е даден като
   

2. Паралелна резонансна честота, fp която се проявява, когато реактивната сила на LSCS нога е равна на реактивната сила на паралелния кондензатор Cp т.е. LS и CS резонират с Cp. В този момент, импедансът на кристала ще бъде най-висок и следователно обратната връзка ще бъде най-малка. Математически това може да се представи като
   

Поведението на кондензатора ще бъде капацитивно както под fS така и над fp. Обаче за честотите, които лежат между fS и над fp, поведението на кристала ще бъде индуктивно. Освен това, когато честотата стане равна на паралелната резонансна честота fp, взаимодействието между LS и Cp ще създаде LC контур на паралелна резонация. Следователно, кристалът може да се разглежда като комбинация от сериозно и паралелно настроени резонансни контури, поради което е необходимо да настроите контура за едно от тях. Освен това трябва да се отбележи, че fp ще бъде по-висока от fs и близостта между двете ще бъде определена от режането и размерите на използвания кристал.

Кристалните осцилатори могат да бъдат проектирани, като се свърже кристалът в контура, така че да предлага нисък импеданс, когато работи в режим на сериозна резонация (Фигура 2а) и висок импеданс, когато работи в режим на антирезонация или паралелна резонация (Фигура 2b).

В показаните контури, резисторите R1 и R2 формират делител на напрежението, докато емитерният резистор RE стабилизира контура. Освен това, CE (Фигура 2а) действа като AC байпас кондензатор, докато съединителният кондензатор CC (Фигура 2а) се използва за блокиране на DC сигнала между колектора и базата.

След това, кондензаторите C1 и C2 формират делител на напрежението в случая на Фигура 2b. Освен това, в контурите (и в Фигура 2а, и 2b) има и радиочестотна спирала (RFC), която предлага двойна полза, тъй като предоставя дори и DC bias, както и освобождава изхода на контура от влиянието на AC сигнала във веригата.

При подаване на мощност към осцилатора, амплитудата на осцилациите в контура се увеличава, докато не се достигне точка, в която нелинейностите в усилителя намалят петлова печалба до единица.

След това, при достигане на стационарно състояние, кристалът в обратната връзка силно влияе на честотата на операционния контур. Освен това, тук, честотата ще се самонастрои, за да позволи на кристала да представи реактивна сила към контура, така че да се изпълни изискването за фаза на Баркхаузен.

Обикновено, честотата на кристалните осцилатори ще бъде фиксирана на основната или характеристичната честота на кристала, която ще бъде определена от физическите размери и форма на кристала.

Однако, ако кристалът не е паралелен или има неравномерна дебелина, той може да резонира на множество честоти, водейки до хармоники.

Освен това, кристалните осцилатори могат да бъдат настроени на четна или нечетна хармоника на основната честота, които се наричат Хармонични и Овертон Осцилатори, съответно.

Пример за това е случаят, когато паралелната резонансна честота на кристала се намалява или се увеличава, като се добави кондензатор или индуктивност върху кристала, съответно.

Типичният диапазон на работа на кристалните осцилатори е от 40 KHz до 100 MHz, където нискочестотните осцилатори се проектират с OpAmps, а високочестотните - с транзистори (BJTs или FETs).

Честотата на осцилациите, генерирана от контура, е определена от сериозната резонансна честота на кристала и няма да бъде засегната от вариациите в напрежението на питане, параметрите на транзистора и т.н. В резултат, кристалните осцилатори показват висок Q-фактор с отлична честотна стабилност, което ги прави най-подходящи за високочестотни приложения.

Однако, трябва да се внимава, за да се използва оптимална мощност за кристала. Това е така, защото, ако се достави прекалено много мощност към кристала, то паразитните резонанси могат да бъдат възбудени в кристала, което води до нестабилна