Kristal na Oscillator: Sirkuito, Prekwensiya & Prinsipyong Paggana

Crystal oscillators gumagana batay sa prinsipyong inverse piezoelectric effect kung saan ang alternating voltage na inilalapat sa ibabaw ng crystal nagdudulot nito na magwala sa natural na frequency nito. Ang mga pagwala na ito ang huli ay nakakapag-convert sa mga pag-oscillate.

Ang mga oscillators na ito ay karaniwang gawa sa Quartz crystal, bagaman ang iba pang substansya tulad ng Rochelle salt at Tourmaline ay nagpapakita rin ng piezoelectric effect, dahil ang quartz ay mas mura, natural na available, at mekanikal na malakas kumpara sa iba.

Sa mga crystal oscillators, ang crystal ay angkop na pinuputol at inilalagay sa pagitan ng dalawang metal plates tulad ng ipinapakita ng Figure 1a kung saan ang electrical equivalent nito ay ipinapakita ng Figure 1b. Sa tunay na buhay, ang crystal ay gumagana tulad ng series RLC circuit, na nabuo ng mga komponento

1. Isang resistor na may mababang halaga RS

2. Isang inductor na may mataas na halaga LS

3. Isang capacitor na may maliit na halaga CS

na magiging parallel sa capacitance ng mga electrodes Cp.

Dahil sa presensya ng Cp, ang crystal ay magre-resonate sa dalawang iba't ibang frequencies, kung saan,

1. Series Resonant Frequency, fs na nangyayari kapag ang series capacitance CS ay nagre-resonate kasama ng series inductance LS. Sa puntong ito, ang impedance ng crystal ay ang pinakamababa at kaya ang dami ng feedback ay ang pinakamataas. Ang mathematical expression para dito ay ibinibigay bilang
   

2. Parallel Resonant frequency, fp na ipinapakita kapag ang reactance ng LSCS leg ay katumbas ng reactance ng parallel capacitor Cp i.e. LS at CS magre-resonate kasama ng Cp. Sa puntong ito, ang impedance ng crystal ay ang pinakamataas at kaya ang feedback ay ang pinakamababa. Mathematically it can be given as
   

Ang pag-uugali ng capacitor ay capacitive parehong sa ilalim ng fS at sa itaas ng fp. Gayunpaman, para sa mga frequency na nasa gitna ng fS at fp, ang pag-uugali ng crystal ay inductive. Kung ang frequency ay naging equal sa parallel resonant frequency fp, ang interaction sa pagitan ng LS at Cp ay magbabago sa parallel tuned LC tank circuit. Dahil dito, ang crystal ay maaaring ituring bilang kombinasyon ng series at parallel tuned resonance circuits kaya kailangan i-tune ang circuit para sa anumang isa sa dalawa. Bukod dito, dapat tandaan na fp ay mas mataas kaysa sa fs at ang pagkakaroon ng dalawang ito ay matutukoy sa pamamagitan ng cut at ang dimensyon ng crystal na ginagamit.

Crystal oscillators maaaring maidisenyo sa pamamagitan ng pag-connect ng crystal sa circuit upang ito ay magbigay ng mababang impedance kapag ito ay ginagamit sa series-resonant mode (Figure 2a) at mataas na impedance kapag ito ay ginagamit sa anti-resonant o parallel resonant mode (Figure 2b).

Sa mga circuits na ipinapakita, ang resistors R1 at R2 bumubuo ng voltage divider network habang ang emitter resistor RE ay nag-stabilize ng circuit. Parehong, CE (Figure 2a) gumagana bilang AC bypass capacitor habang ang coupling capacitor CC (Figure 2a) ay ginagamit para sa pag-block ng DC signal propagation sa pagitan ng collector at base terminals.

Pagkatapos, ang capacitors C1 at C2 bumubuo ng capacitive voltage divider network sa kaso ng Figure 2b. Kasama pa rito, may Radio Frequency Coil (RFC) sa circuits (parehong sa Figure 2a at 2b) na nagbibigay ng dual advantage dahil ito ay nagbibigay ng DC bias at pati na rin ang pagsisiguro na ang output ng circuit ay hindi maapektuhan ng AC signal sa power lines.

Kapag binigyan ng power ang oscillator, ang amplitude ng mga oscillations sa circuit ay tumataas hanggang sa makarating sa punto kung saan ang nonlinearities sa amplifier ay nagbabawas ng loop gain hanggang sa unity.

Pagkatapos, kapag narinig ang steady state, ang crystal sa feedback loop ay malaking nag-iimpluwensya sa frequency ng operating circuit. Sa ibang salita, ang frequency ay mag-aadjust upang mapabilis ang crystal na mag-present ng reactance sa circuit upang mapunan ang Barkhausen phase requirement.

Sa pangkalahatan, ang frequency ng mga crystal oscillators ay fixado sa fundamental o characteristic frequency ng crystal na ito ay matutukoy sa pamamagitan ng pisikal na laki at hugis ng crystal.

Gayunpaman, kung ang crystal ay non-parallel o may hindi pantay na thickness, ito ay maaaring magre-resonate sa multiple frequencies, na nagresulta sa harmonics.

Parehong, ang mga crystal oscillators ay maaaring i-tune sa even o odd harmonic ng fundamental frequency, na tinatawag na Harmonic at Overtone Oscillators, respectively.

Isang halimbawa nito ay ang kaso kung saan ang parallel resonance frequency ng crystal ay binabawasan o binabago sa pamamagitan ng pagdagdag ng isang capacitor o isang inductor sa crystal, respectively.

Ang typical operating range ng mga crystal oscillators ay mula 40 KHz hanggang 100 MHz kung saan ang low frequency oscillators ay dinisenyo gamit ang OpAmps habang ang high frequency ones ay dinisenyo gamit ang transistors (BJTs o FETs).

Ang frequency ng mga oscillations na ginagawa ng circuit ay matutukoy sa pamamagitan ng series resonant frequency ng crystal at hindi maapektuhan ng mga variation sa supply voltage, transistor parameters, etc. Bilang resulta, ang mga crystal oscillators ay nagpapakita ng mataas na Q-factor na may excellent frequency stability, na nagpapahusay sa kanilang suitability para sa high-frequency applications.

Ngunit, dapat alamin na ang crystal ay dapat idrive ng optimum power lamang. Ito ay dahil, kung masyadong maraming power ang ibinibigay sa crystal, ang parasitic resonances ay maaaring ma-excite sa crystal na nagresulta sa unstable resonant frequency.

Parehong, ang output waveform nito ay maaaring mabago dahil sa degradation sa phase noise performance. Bukod dito, ito ay maaari ring magresulta sa destruction ng device (crystal) dahil sa overheating.

Crystal oscillators ay compact sa laki at mura kaya sila ay malawakang ginagamit sa electronic warfare systems, communication systems, guidance systems, microprocessors, microcontrollers, space tracking systems, measuring instruments, medical devices, computers, digital systems, instrumentation, phase-locked loop systems, modems, sensors, disk drives, marine systems, telecommunications, engine control systems, clocks, Global Positioning Systems (GPS), cable television systems, video cameras, toys, video games, radio systems, cellular phones, timers, etc.

Pahayag: Respetuhin ang orihinal, mahusay na artikulo na karapat-dapat na maibahagi, kung may paglabag sa copyright pakiusap na ilipat ang delete.