Kristala Osciilo: Cirkvito Freqvento & Funkcioprinccipo
Kristaloscilatoroj funkcias laŭ la principo de inversa piezoelektra efekto, en kiu alterna tensio aplikita trans la kristalsurfacoj kaŭzas ĝin vibradi je sia natura frekvenco. Ĝi estas tiuj vibradoj kiuj finfine konvertiĝas al osciladoj.
Ĉi tiuj oscilatoroj kutime estas faritaj el kvartzo, kvankam aliaj substancoj kiel Rochelle-salo kaj Tourmalino montras la piezoelektran efekton, ĉar kvartzo estas malpli kostema, nature disponebla kaj mekanike forta kompare kun aliaj.
En kristaloscilatoroj, la kristalo estas taŭge tranĉita kaj montita inter du metalaj platoj, kiel montrite de Figuro 1a, kies elektra ekvivalento estas montrita de Figuro 1b. En realo, la kristalo kondutas si kiel seria RLC cirkvito, formata de la komponantoj
Malalta-valora rezistoro RS
Granda-valora induktoro LS
Malgranda-valora kapacitoro CS
kiuj estos paralele kun la kapacitanco de siaj elektrodoj Cp.
Pro la prezenco de Cp, la kristalo resonos je du malsamaj frekvencoj, nome,
Seria Resonanca Frekvenco, fs kiu okazas kiam la seria kapacitanco CS resonas kun la seria induktanco LS. Je tiu stadio, la kristala impedanco estos la plej malgranda kaj do la kvanto de retrofido estos la plej granda. Matematika esprimo por tio estas donita kiel
Paralela Resonanca Frekvenco, fp kies reaktanco de la LSCS parto egalas la reaktancan de la paralela kapacitoro Cp t.e. LS kaj CS resonas kun Cp. Je tiu momento, la kristala impedanco estos la plej alta kaj do la retrofido estos la plej malgranda. Matematike ĝi povas esti donita kiel
La konduto de la kapacitoro estos kapacitiva sub fS kaj super fp. Tamen por la frekvencoj kiuj situas inter fS kaj super fp, la kristala konduto estos induktiva. Plue, kiam la frekvenco iĝas egala al la paralela resonanca frekvenco fp, tiam la interago inter LS kaj Cp formos paralelan LC tankcircuiton. Do, kristalo povas esti rigardita kiel kombinaĵo de seria kaj paralela resona cirkvito pro kiu oni devas akordi la circuiton por unu el ili. Krome, notu ke fp estos pli alta ol fs kaj la proksimeco inter la du estos decidita per la tranĉo kaj la dimensioj de la uzata kristalo.
Kristaloscilatoroj povas esti disegnitaj per konektado de la kristalo en la circuiton tiel, ke ĝi ofertas malaltan impedancon kiam operacias en serieresonanca modo (Figuro 2a) kaj altan impedancon kiam operacias en antiresonanca aŭ paraleleresonanca modo (Figuro 2b).
En la montritaj circuitoj, la rezistoroj R1 kaj R2 formas la tensiodividan reton dum la emiterrezistoro RE stabiligas la circuiton. Plue, CE (Figuro 2a) agas kiel AC flankpasila kapacitoro dum la kunliganta kapacitoro CC (Figuro 2a) estas uzata por bloki DC-signala propagadon inter la kolektor- kaj bazterminaloj.
Poste, la kapacitoroj C1 kaj C2 formas la kapacitan tensiodividan reton en la kazo de Figuro 2b. Aldone, estas ankaŭ Radiofrekvenco Bobeno (RFC) en la circuitoj (ambaŭ en Figuro 2a kaj 2b) kiu ofertas duoblan avantaĝon, ĉar ĝi provizas eĉ la DC-biasan kaj liberigas la circuit-outputon de esti afektita de la AC-signalo sur la energiakabloj.
Sur provizado de la energio al la oscilatoro, la amplitudo de la osciladoj en la circuito pligrandigas ĝis punkto, kie la nelinearecoj en la amplifilo reduktas la ringan guanon al unuo.
Poste, atingante la stacionan staton, la kristalo en la retrofida ŝnuro forte influas la frekvicon de la operacia circuito. Plue, ĉi tie, la frekvenco automata regos tiel, ke la kristalo prezentiĝas al la circuito kun reaktanco, tiel ke la Barkhausen-fazkrado estas plenumita.
Ĝenerale, la frekvenco de la kristaloscilatoroj estos fiksita al la fundamenta aŭ karakteriza frekvenco de la kristalo, kiu estos decidita per la fizika grandeco kaj formo de la kristalo.
Tamen, se la kristalo ne estas paralela aŭ havas neuniforman dickenon, tiam ĝi povus resonadi je multaj frekvencoj, rezultigante harmonojn.
Plue, la kristaloscilatoroj povas esti akorditaj al aŭ para aŭ nepara harmono de la fundamenta frekvenco, kiuj estas nomitaj Harmonaj kaj Superharmonaj Oscilatoroj, respektive.
Ekzemplo de ĉi tio estas la kazo kie la paralela resonanca frekvenco de la kristalo estas malkresigita aŭ kresigita per aldono de kapacitoro aŭ induktoro trans la kristalon, respektive.
La tipa funkciigera amplekso de la kristaloscilatoroj estas de 40 kHz ĝis 100 MHz, kie la malaltfrekvencaj oscilatoroj estas dizajnitaj uzante OpAmps dum la hihgfrekvencaj estas dizajnitaj uzante transistorojn (BJT aŭ FET).
La frekvenco de la osciladoj generitaj de la circuito estas decidita de la seriera resonanca frekvenco de la kristalo kaj estos neafektita de la varioj en la provizado de tensio, transistorparametroj, etc. Konsekvence, kristaloscilatoroj montras altan Q-faktoron kun ekskluziva frekvenca stabileco, farante ilin plej taŭgaj por hihgfrekvencaj aplikiĝoj.
Tamen, atentu nur por drivi la kristalon kun optimuma potenco. Tio estas ĉar, se troa potenco estas liverita al la kristalo, tiam la parasitaj resonancoj povas esti ekscititaj en la kristalo, kio kondukas al instabila resonanca frekvenco.
Plue, eĉ ties eliga ondformo povas esti distordita pro la degeneracio de sia fazrumoperformanco. Krome, ĝi eĉ povas rezulti en la detruo de la aparato (kristalo) pro supervarmo.
Kristaloscilatoroj estas kompakta grandeco kaj malalta kostprezo pro kio ili estas vaste uzitaj en elektronikaj militaj sistemoj, kommunikadsistemoj, gvidsistema, mikroprocesoroj, mikrokontroliloj, spacetrajdsistemoj, mezurinstrumentoj, medicinaj aparatoj, komputiloj, ciferecaj sistemoj, instrumentaro, fazblokis sistemoj, modemoj, sensoroj, diskodrajvoj, maritima sistemoj, telekomunikado, motorstirsystemoj, horloĝoj, Globala Pozicionigas Sistemon (GPS), kabeltelevizia sistemoj, video-kameraoj, ludiloj, videoludoj, radiostistemoj, cela telefoniloj, tempmezuriloj, etc.
