Kvartskrystalle oscillator: Kredsløb, Frekvens & Funktionsmåde

Krydstaloskillatorer fungerer på princippet om den inverse piezoelektriske effekt, hvor en alternativ spænding, der anvendes på krydstalfladerne, får det til at vibrere ved sin naturlige frekvens. Det er disse vibrationer, der sidst bliver konverteret til oscillationer.

Disse oskillatorer er normalt lavet af kvartskrydstal, selvom andre stoffer som Rochelle salt og Tourmalin også viser piezoelektrisk effekt, fordi kvarts er billigt, naturligt forekommande og mekanisk stærkere sammenlignet med de andre.

I krydstaloskillatorer er krydstallet passende skåret og monteret mellem to metalplader, som vist i figur 1a, hvis elektriske ekvivalent er vist i figur 1b. I virkeligheden opfører krydstallet sig som et serier RLC-kredsløb, dannet af komponenterne

1. En lav resistor RS

2. En stor induktor LS

3. En lille kapacitans CS

som vil være parallelt med kapacitansen af dens elektroder Cp.

På grund af Cp, vil krydstallet resonere ved to forskellige frekvenser nemlig,

1. Serieresonansfrekvens, fs der opstår, når seriekapacitansen CS resonerer med serieinduktansen LS. På dette trin vil krydstallens impedans være mindst, og dermed vil feedbacken være størst. Matematisk udtrykt kan det gives som
   

2. Parallelresonansfrekvens, fp der vises, når reaktansen af LSCS læg lig med reaktansen af parallellkapacitoren Cp dvs. LS og CS resonerer med Cp. I dette øjeblik vil krydstallens impedans være højst, og derfor vil feedbacken være mindst. Matematisk kan det givet som
   

Kapacitansens opførsel vil være kapacitiv både under fS og over fp. Dog for frekvenser, der ligger mellem fS og over fp, vil krydstallets opførsel være inductiv. Yderligere, når frekvensen bliver lig parallelresonansfrekvensen fp, vil interaktionen mellem LS og Cp danne et paralleljusteret LC-tankkredsløb. Derfor kan et krydstal ses som en kombination af serier og paralleljusterede resonanskredsløb, hvilket betyder, at man skal justere kredsløbet for enten af disse to. Desuden bør det bemærkes, at fp vil være højere end fs og nærheden mellem de to vil blive bestemt af krydstallets skæring og dimensioner i brug.

Krydstaloskillatorer kan designes ved at forbinde krydstallet i kredsløbet sådan, at det tilbyder lav impedans, når det arbejder i serieresonanttilstand (Figur 2a) og høj impedans, når det arbejder i antiresonant eller parallelresonanttilstand (Figur 2b).

I de viste kredsløb danner resistorerne R1 og R2 voltage dividernetværket, mens emitterresistor RE stabiliserer kredsløbet. Yderligere fungerer CE (Figur 2a) som en AC bypass kapacitor, mens koplingskapacitoren CC (Figur 2a) bruges til at blokere DC-signalpropagation mellem collector- og base-terminalerne.

Næste, danner kapacitorerne C1 og C2 det kapacitive voltage divider netværk i tilfældet Figur 2b. Udover dette er der også en radiobølge spole (RFC) i kredsløbene (både i Figur 2a og 2b), som tilbyder dobbelt fordel, da den leverer både DC-bias samt frigør kredsløbsoutput fra at blive påvirket af AC-signaler på strømledningerne.

Når strøm leveres til oskillator, øges amplituden af oscillationerne i kredsløbet indtil et punkt, hvor ikke-lineariteter i forstærkeren reducerer løkkeforstærkningen til enhed.

Næste, når stabiltilstanden er nået, har krydstallet i feedback-løkken en stærk indflydelse på kredsløbets arbejdsfrekvens. Yderligere vil frekvensen her automatisk justere sig, så krydstallet præsenterer en reaktans til kredsløbet, så Barkhausens fasekrav opfyldes.

Generelt vil frekvensen for krydstaloskillatorer være fastsat til krydstallets fundamentale eller karakteristiske frekvens, som bestemmes af krydstallets fysiske størrelse og form.

Dog, hvis krydstallet ikke er parallelle eller har ulige tykkelse, kan det resonere ved flere frekvenser, hvilket resulterer i harmoniske.

Yderligere kan krydstaloskillatorer justeres til enten lige eller ulige harmoniske af fundamentalfrekvensen, som henholdsvis kaldes Harmoniske og Overtone Oskillatorer.

Et eksempel på dette er, når parallelresonansfrekvensen for krydstallet nedsættes eller forhøjes ved at tilføje en kapacitans eller en induktor tværs over krydstallet, henholdsvis.

Den typiske arbejdsområde for krydstaloskillatorer er fra 40 KHz til 100 MHz, hvor lavfrekvensoskillatorer er designet ved hjælp af OpAmps, mens højfrekvensoskillatorer er designet ved hjælp af transistorer (BJTs eller FETs).

Frekvensen for oscillationerne, der genereres af kredsløbet, bestemmes af serieresonansfrekvensen for krydstallet og vil være uforandret af variationer i strømforsyningens spænding, transistorparametre osv. Som resultat viser krydstaloskillatorer en høj Q-faktor med fremragende frekvensstabilitet, hvilket gør dem mest egnede til højkvalitetsapplikationer.

Der skal dog tages forsigtighed for at drive krydstallet med optimal strøm. Dette skyldes, at hvis for meget strøm leveres til krydstallet, kan parasittiske resonanser blive udløst i krydstallet, hvilket fører til ustabil resonansfrekvens.

Yderligere kan dens outputbølgeform være forvrænget pga. forringet fasestøj ydeevne. Desuden kan det endda føre til ødelæggelsen af enheden (krydstallet) pga. overophedning.

Krydstaloskillatorer er kompakte og billige, hvilket gør, at de anvendes bredt i elektroniske krigssystemer, kommunikationssystemer, ledelsessystemer, mikroprocessorer, mikrokontrollerer, rumfartstrackingssystemer, måleinstrumenter, medicinsk udstyr, computere, digitale systemer, instrumentering, phase-locked loop systemer, modems, sensorer, diskdriv, marine systemer, telekommunikation, motorstyringssystemer, ure, Global Positioning System (GPS), kabel-TV-systemer, video kameraer, legetøj, videospil, radiosystemer, mobiltelefoner, timere osv.

Erklæring: Respektér det originale, godt indhold fortjener at deles. Hvis der er overtrædelse kontakt os for sletning.