Křišťálový oscilátor: obvod, frekvence a princip fungování
Křišťálové oscilátory fungují na principu inverzního piezoelektrického efektu, při kterém střídavé napětí aplikované na povrchy křišťálu způsobuje jeho kmitání na přirozené frekvenci. Jsou to právě tyto kmitání, které se nakonec převedou na oscilace.
Tyto oscilátory jsou obvykle vyrobeny z křemene, i když jiné látky jako Rochelleova sůl a turmalín projevují piezoelektrický efekt, protože křemen je levnější, přirozeně dostupný a mechanicky pevnější než ostatní.
V křišťálových oscilátorech je křišťál vhodně rozřezán a umístěn mezi dvě kovové desky, jak ukazuje obrázek 1a, jehož elektrický ekvivalent je znázorněn v obrázku 1b. V reálnosti se křišťál chová jako seriální RLC obvod, tvořený komponentami
Nízkohodnotný odpor RS
Vysokohodnotný cívka LS
Nízkohodnotný kondenzátor CS
které budou paralelní s kapacitancí jejich elektrod Cp.
Díky přítomnosti Cp bude křišťál rezonovat na dvou různých frekvencích, a to:
Seriální rezonanční frekvence, fs, která nastane, když seriální kapacitance CS rezonuje s seriální indukcí LS. V této fázi bude impedancia křišťálu nejnižší a tedy zpětná vazba největší. Matematický výraz pro toto je uveden níže
Paralelní rezonanční frekvence, fp, která se projeví, když reaktance LSCS části rovná reaktanci paralelního kondenzátoru Cp tedy LS a CS rezonují s Cp. V tomto okamžiku bude impedancia křišťálu nejvyšší a tedy zpětná vazba nejnižší. Matematicky lze to vyjádřit takto
Chování kondenzátoru bude kapacitivní jak pod fS, tak nad fp. Pro frekvence, které leží mezi fS a fp, bude chování křišťálu induktivní. Když se frekvence rovná paralelní rezonanční frekvenci fp, pak interakce mezi LS a Cp tvoří paralelně laděný LC tankový obvod. Proto může být křišťál považován za kombinaci sériově a paralelně laděných rezonančních obvodů, což znamená, že je třeba obvod naladit buď na jednu, nebo druhou z těchto frekvencí. Je třeba poznamenat, že fp bude vyšší než fs a blízkost mezi těmito dvěma frekvencemi bude záviset na řezu a rozměrech použitého křišťálu.
Křišťálové oscilátory lze navrhnout tak, že se křišťál zapojí do obvodu tak, aby nabízel nízkou impedanci při provozu v sériově rezonančním režimu (Obrázek 2a) a vysokou impedanci při provozu v protirezonančním nebo paralelně rezonančním režimu (Obrázek 2b).
V zobrazených obvodech tvoří odpor R1 a R2 napěťový dělič, zatímco emitorový odpor RE stabilizuje obvod. Dále CE (Obrázek 2a) působí jako AC bypass kondenzátor, zatímco spojovací kondenzátor CC (Obrázek 2a) slouží k blokování DC signálu mezi kolektorovým a bázovým terminálem.
Následně tvoří kondenzátory C1 a C2 kapacitní napěťový dělič v případě Obrázku 2b. Kromě toho je v obvodech (jak v Obrázku 2a, tak v 2b) také Radio Frequency Coil (RFC), který poskytuje dvojitou výhodu, protože poskytuje i DC polarizaci a osvobozuje výstup obvodu od ovlivnění AC signálu na napájecích linkách.
Po připojení napájení k oscilátoru se amplituda oscilací v obvodu zvyšuje, dokud není dosaženo bodu, kde neliniarity zesilovače sníží zpětnou vazbu na jednotku.
Následně, po dosažení ustáleného stavu, má křišťál v zpětné vazbě velký vliv na frekvenci pracujícího obvodu. Dále se frekvence automaticky upraví tak, aby umožnila křišťálu prezentovat reaktanci obvodu, která splňuje požadavek Barkhausenu na fázi.
Obecně platí, že frekvence křišťálových oscilátorů bude pevně stanovena jako základní nebo charakteristická frekvence křišťálu, která bude určena fyzikální velikostí a tvarem křišťálu.
Pokud však křišťál není rovnoběžný nebo má nerovnoměrnou tloušťku, může rezonovat na několika frekvencích, což vede k harmonickým.
Dále lze křišťálové oscilátory naladit buď na sudý, nebo lichý harmonický základní frekvence, což jsou označovány jako Harmonické a Přenosné Oscilátory, respektive.
Příkladem tohoto je případ, kdy paralelní rezonanční frekvence křišťálu je snížena nebo zvýšena přidáním kondenzátoru nebo cívky napříč křišťálem, respektive.
Typický operační rozsah křišťálových oscilátorů je od 40 kHz do 100 MHz, kde nižší frekvence oscilátorů jsou navrženy pomocí OpAmpů, zatímco vysokofrekvenční oscilátory jsou navrženy pomocí tranzistorů (BJT nebo FET).
Frekvence oscilací generovaných obvodem je určena sériovou rezonanční frekvencí křišťálu a nebude ovlivněna změnami napájecího napětí, parametry tranzistoru atd. Jako výsledek mají křišťálové oscilátory vysoký Q-faktor s vynikající frekvenční stabilitou, což je nejvhodnější pro vysokofrekvenční aplikace.
Nicméně je třeba dbát na to, aby byl křišťál poháněn pouze optimální výkon. Pokud je do křišťálu dodáno příliš mnoho výkonu, mohou být v křišťálu excitovány parazitní rezonance, což vede k nestabilní rezonanční frekvenci.
Dále může být i výstupní vlna deformována kvůli degradaci fázového šumu. Navíc může vést k zničení zařízení (křišťálu) kvůli přetopení.
