ریزپرده بلوری: مدار، فرکانس و اصل کار

اوسیلاتورهای کریستالی بر اساس اثر پیزو الکتریک معکوس عمل می‌کنند که در آن ولتاژ متناوبی که بین سطوح کریستال اعمال می‌شود، باعث ارتعاش کریستال در فرکانس طبیعی خود می‌شود. این ارتعاشات در نهایت به ارتعاشات تبدیل می‌شوند.

این اوسیلاتورها معمولاً از کریستال کوارتز ساخته می‌شوند، اگرچه مواد دیگری مانند نمک روشل و تورمالین نیز اثر پیزو الکتریک را نشان می‌دهند، زیرا کوارتز ارزان‌قیمت‌تر، در دسترس‌تر و مقاوم‌تر از دیگران است.

در اوسیلاتورهای کریستالی، کریستال به طور مناسب برش و بین دو صفحه فلزی قرار می‌گیرد، همانطور که در شکل ۱a نشان داده شده است که معادل الکتریکی آن در شکل ۱b نمایش داده شده است. در واقع، کریستال مانند یک مدار RLC سری، تشکیل شده از المان‌ها

1. مقاومت کوچک‌ارزش RS

2. سلب‌دار بالا‌ارزش LS

3. خازنه کوچک‌ارزش CS

که در موازی با ظرفیت الکترودهای Cp قرار می‌گیرد.

به دلیل وجود Cp، کریستال در دو فرکانس مختلف رزونانس می‌یابد، یعنی:

1. فرکانس رزونانس سری، fs که زمانی رخ می‌دهد که ظرفیت سری CS با سلب‌دار سری LS رزونانس می‌یابد. در این مرحله، موانع کریستال کمترین مقدار خواهد بود و بنابراین مقدار بازخورد بیشترین خواهد بود. عبارت ریاضی برای همین به صورت زیر است
   

2. فرکانس رزونانس موازی، fp که زمانی نمایان می‌شود که واکنش LSCS برابر با واکنش خازنه موازی Cp می‌شود یعنی LS و CS با Cp رزونانس می‌یابند. در این لحظه، موانع کریستال بیشترین مقدار خواهد بود و بنابراین بازخورد کمترین خواهد بود. ریاضیاً می‌توان آن را به صورت زیر نشان داد
   

رفتار خازنه همچنان ظرفیتی خواهد بود هر دو زیر fS و بالای fp. با این حال برای فرکانس‌هایی که بین fS و fp قرار دارد، رفتار کریستال القایی خواهد بود. همچنین وقتی فرکانس برابر با فرکانس رزونانس موازی fp می‌شود، در آن زمان تعامل بین LS و Cp یک مدار LC تنظیم شده موازی را تشکیل می‌دهد. بنابراین می‌توان کریستال را به عنوان ترکیبی از مدارهای رزونانس سری و موازی در نظر گرفت که به این دلیل نیاز است تا مدار را برای یکی از این دو تنظیم کنیم. علاوه بر این باید توجه داشت که fp بیشتر از fs خواهد بود و نزدیکی بین دو مقدار توسط برش و ابعاد کریستال در حال استفاده تصمیم گرفته می‌شود.

اوسیلاتورهای کریستالی می‌توانند با اتصال کریستال به مدار طراحی شوند به گونه‌ای که در حالت رزونانس سری (شکل ۲a) ارائه موانع کم و در حالت رزونانس موازی یا ضد رزونانس (شکل ۲b) ارائه موانع زیاد داشته باشد.

در مدارهای نشان داده شده، مقاومت‌ها R1 و R2 شبکه تقسیم‌کننده ولتاژ را تشکیل می‌دهند در حالی که مقاومت انتشار RE مدار را پایدار می‌کند. همچنین CE (شکل ۲a) به عنوان خازنه عبور AC عمل می‌کند در حالی که خازنه اتصال CC (شکل ۲a) برای مسدود کردن انتشار سیگنال DC بین دو ترمینال جامع و پایه استفاده می‌شود.

سپس خازنه‌های C1 و C2 شبکه تقسیم‌کننده ولتاژ خازنه‌ای را در حالت شکل ۲b تشکیل می‌دهند. علاوه بر این، در مدارها (هر دو در شکل ۲a و ۲b) یک سیم‌پیچ فرکانس رادیویی (RFC) وجود دارد که دو مزیت را ارائه می‌دهد، یکی ارائه بایاس DC و دیگری آزاد کردن خروجی مدار از تأثیر سیگنال AC روی خطوط تغذیه.

با تأمین تغذیه به اوسیلاتور، دامنه ارتعاشات در مدار افزایش می‌یابد تا نقطه‌ای که در آن غیرخطی‌های در تقویت‌کننده باعث کاهش ضریب حلقه به واحد می‌شود.

سپس، در رسیدن به حالت پایدار، کریستال در حلقه بازخورد فرکانس مدار عملیاتی را به شدت تحت تأثیر قرار می‌دهد. همچنین، در اینجا، فرکانس به طور خودکار تنظیم می‌شود تا کریستال را قادر سازد تا یک واکنش به مدار ارائه دهد به گونه‌ای که شرط فاز بارکهاوزن برآورده شود.

به طور کلی، فرکانس اوسیلاتورهای کریستالی به فرکانس اصلی یا مشخصه کریستال ثابت خواهد بود که توسط اندازه و شکل فیزیکی کریستال تعیین می‌شود.

با این حال، اگر کریستال غیرموازی یا ضخامت نامتجانس باشد، ممکن است در فرکانس‌های چندگانه رزونانس یابد که منجر به هارمونیک‌ها می‌شود.

همچنین، اوسیلاتورهای کریستالی می‌توانند به هارمونیک زوج یا فرد فرکانس اصلی تنظیم شوند، که به ترتیب اوسیلاتورهای هارمونیک و ابرتونی نامیده می‌شوند.

یک مثال از این مورد زمانی است که فرکانس رزونانس موازی کریستال با اضافه کردن یک خازنه یا یک سلب‌دار به کریستال، به ترتیب کاهش یا افزایش می‌یابد.

دامنه عملیاتی معمول اوسیلاتورهای کریستالی از ۴۰ کیلوهرتز تا ۱۰۰ مگاهرتز است که در آن اوسیلاتورهای فرکانس پایین با استفاده از OpAmps طراحی می‌شوند در حالی که اوسیلاتورهای فرکانس بالا با استفاده از ترانزیستورها (BJTs یا FETs) طراحی می‌شوند.

فرکانس ارتعاشات تولید شده توسط مدار توسط فرکانس رزونانس سری کریستال تعیین می‌شود و از تغییرات در ولتاژ تغذیه، پارامترهای ترانزیستور و غیره تاثیر نخواهد پذیرفت. به عنوان نتیجه، اوسیلاتورهای کریستالی عامل Q بالا با پایداری فرکانس بسیار خوب را نشان می‌دهند که آنها ر