Kristalli-oskillaattori: Piiri, taajuus ja toimintaperiaate

Kristallioskillaattorit toimivat käänteisen piezoelektrisen vaikutuksen periaatteella, jossa vaihtovirta, joka annetaan kristallin pinnille, aiheuttaa sen värähtelemään luonnollisessa taajuudessa. Nämä värähdysliikkeet muuntuvat lopulta oskillaationa.

Nämä oskillaattorit valmistetaan yleensä kvartsi-kristallista, vaikka muut aineet, kuten Rochelle-saltti ja tourmaali, myös näyttävät piezoelektristä vaikutusta, koska kvartsi on edullista, luontaisesti saatavilla ja mekanisesti vahvaa verrattuna muihin.

Kristallioskillaattoreissa kristalli on sopivasti leikattu ja kiinnitetty kahteen metallilevyn välille, kuten kuvassa 1a osoitetaan, jonka sähköinen vastine on kuvassa 1b. Todellisuudessa kristalli käyttäytyy kuin sarjainen RLC-piiri, joka muodostetaan komponenteista

1. Alhaisen arvon vastus RS

2. Isoarvoinen induktanssi LS

3. Pieni kapasiteetti CS

jotka ovat rinnallaan sen elektrodidensa kapasiteettien Cp-kanssa.

Cp:n vuoksi kristalli resonoi kahdessa eri taajuudessa, nimittäin

1. Sarjaresonanssitaajuus, fs joka tapahtuu, kun sarjakapasiteetti CS resonoi sarja-induktaansin LS kanssa. Tässä vaiheessa kristallin impedanssi on pienin ja palautteen määrä suurin. Matemaattinen ilmaisu tälle on
   

2. Rinnakkaistason resonanssitaajuus, fp joka ilmenee, kun reaktanssi LSCS osa on sama kuin rinnakkaiskapasiteetin Cp reaktanssi eli LS ja CS resonoi Cp kanssa. Tässä vaiheessa kristallin impedanssi on suurin ja palautteen määrä pienin. Matemaattisesti se voidaan ilmaista
   

Kapasiteetin käyttäytyminen on kapasitiivista sekä fS:n alapuolella että fp:n yläpuolella. Kuitenkin fS ja fp välissä oleville taajuudille kristallicomportmentti on induktiivinen. Lisäksi, kun taajuus on yhtä suuri kuin rinnakkaistason resonanssitaajuus fp, LS ja Cp muodostavat rinnakkaistunnetun LC-tankkipiirin. Siksi kristallia voidaan katsoa olevan sarja- ja rinnakkaistunnettujen resonanssipiirien yhdistelmä, joten piiriä on säädettävä jommallekummalle näistä kahdesta. Lisäksi on huomioitava, että fp on suurempi kuin fs ja läheisyys niiden välillä riippuu leikatun kristallin leikkaustavasta ja mitoista.

Kristallioskillaattorit voidaan suunnitella kytkemällä kristalli piiriin siten, että se tarjoaa matalan impedanssin sarjaresonaantimoodissa (kuva 2a) ja korkean impedanssin antiresonaantimoodissa tai rinnakkaistason resonaantimoodissa (kuva 2b).

Piireissä, jotka on esitetty, vastukset R1 ja R2 muodostavat jännitesekäjän, kun taas emittorivastus RE vakauttaa piiriä. Lisäksi CE (kuva 2a) toimii AC-vierityskapasiteettina, kun taas kytkentäkapasiteetti CC (kuva 2a) estää DC-signaalin kuljetuksen kerroksen ja bason välillä.

Seuraavaksi kapasiteetit C1 ja C2 muodostavat kapasitiivisen jännitesekäjän kuvassa 2b. Lisäksi piireissä (molemmat kuvissa 2a ja 2b) on radiotaajuuskytkentä (RFC), joka tarjoaa kaksoisedun, sillä se tarjoaa myös DC-biasin ja vapauttaa piirin AC-signaalilta virtajohdussa.

Kun virta annetaan oskillaattorille, piirin oskillaatioiden amplitudi kasvaa, kunnes pisteeseen, jossa vahvistimen epälineaarisuudet vähentävät silmukan voimakkuuden yhteen.

Tuloksena saavutetaan vakioseini, jossa takaisinkytkennässä oleva kristalli vaikuttaa voimakkaasti toimintapiirin taajuuteen. Lisäksi tässä taajuus sopeutuu itsestään siten, että kristalli esittää piirille reaktanssin, joka täyttää Barkhausenin vaihevaatimuksen.

Yleisesti ottaen kristallioskillaattorien taajuus on kiinteästi asetettu kristallin perustaajuudeksi tai ominaispiirteiseksi taajuudeksi, joka määräytyy kristallin fyysisestä koko ja muodosta.

Jos kristalli ei ole rinnakkainen tai tasainen, se voi resonoida useammassa taajuudessa, mikä johtaa harmoniseihin.

Lisäksi kristallioskillaattorit voidaan säätää joko parilliseen tai parittomaan harmoniseen perustaajuuden, jotka tunnetaan Harmoniseina ja Overtone-oskillaattoreina.

Esimerkki tästä on tapaus, jossa kristallin rinnakkaistason resonanssitaajuus vähennetään tai lisätään lisäämällä kapasiteetti tai induktaanssi kristallin yli, vastaavasti.

Kristallioskillaattoreiden tyypillinen toimintaalue on 40 kHz:sta 100 MHz:aan, jossa matalataajuisten oskillaattorien suunnitteleminen tehdään OpAmpseilla, kun taas korkeataajuisten oskillaattorien suunnitteleminen tehdään transistorien (BJT tai FET) avulla.

Piirin tuottaman oskillaation taajuus määräytyy kristallin sarjaresonanssista ja se ei vaikuta virta-aineiston muutoksiin, transistoriparametreihin jne. Näin ollen kristallioskillaattorit näyttävät korkean Q-arvon erinomaisella taajuusvakaumuksella, mikä tekee niistä erityisen soveltuvin korkeataajuisiin sovelluksiin.

On kuitenkin varauduttava siihen, että kristalli ajetaan optimaalilla teholla. Jos liikaa virtaa annetaan kristalille, parasitismiset resonanssit voivat aktivoitua, mikä johtaa epävakaiseen resonanssitaajuuteen.

Lisäksi sen ulostuloaalto voi vääristyä häiriöiden heikkenemisen vuoksi. Lisäksi se voi johtaa laitteen (kristalli) tuhoon ylivuodatuksen vuoksi.

Kristallioskillaattorit ovat kompakteja ja halpoja, minkä vuoksi niitä käytetään laajasti sotilaallisissa elektronisissa järjestelmissä, viestintäjärjestelmissä, ohjausjärjestelmissä, mikroprosesseureissa, mikrokontrollereissa, avaruusseurantajärjestelmissä, mittalaitteissa, lääketieteellisissä laitteissa, tietokoneissa, digitaalisissa järjestelmissä, instrumentaariossa, vaihesuljetuissa järjestelmissä, modemissä, antureissa, levyasemoissa, merijärjestelmissä, telekommunikaatiossa, moottorien ohja