Kristalni oscilator: šema frekvencija i način rada

Kristalni oscilatori funkcioniraju na principu inverznog piezoelektričnog efekta, pri kojem se na površinama kristala primjenjuje izmjenična napetost, što ga dovodi do vibracija na njegovoj prirodnoj frekvenciji. Te su vibracije one koje se završno pretvaraju u oscilacije.

Ovi oscilatori obično su izrađeni od kristala kvarca, iako i druge tvari poput soli Rochellea i turmalina pokazuju piezoelektrični efekt, jer je kvarc jeftin, prirodno dostupan i mehanički čvrst usporedo s drugima.

U kristalnim oscilatorima, kristal je odgovarajuće rezan i postavljen između dvije metaličke ploče, kao što je prikazano na slici 1a, čiji je električki ekvivalent prikazan na slici 1b. U stvarnosti, kristal se ponaša kao serijski RLC krug, formiran komponentama

1. Niskovaljena otpornica RS

2. Visokovaljena induktivnost LS

3. Niskovaljena kapacitivnost CS

koji će biti paralelno sa kapacitancijom svojih elektroda Cp.

Zbog prisutnosti Cp, kristal će rezonirati na dvije različite frekvencije, to jest,

1. Serijska rezonantna frekvencija, fs koja se javlja kada serijska kapacitivnost CS rezonira s serijskom induktivnošću LS. U tom trenutku, impedanca kristala bit će najmanja, a količina povratne veze najveća. Matematički izraz za to daje
   

2. Paralelna rezonantna frekvencija, fp koja se pojavljuje kada reaktancija LSCS noga jednaka reaktanciji paralelnog kondenzatora Cp odnosno kada LS i CS rezoniraju s Cp. U tom trenutku, impedanca kristala bit će najveća, a povratna veza najmanja. Matematički se to može predstaviti kao
   

Ponašanje kondenzatora bit će kapacitivno ispod fS i iznad fp. Međutim, za frekvencije koje se nalaze između fS i fp, ponašanje kristala bit će induktivno. Nadalje, kada frekvencija postane jednaka paralelnoj rezonantnoj frekvenciji fp, interakcija između LS i Cp formirat će paralelno LC tank kolo. Stoga, kristal se može posmatrati kao kombinacija serije i paralelnih rezonantnih kola, zbog čega je potrebno da se kolo podešava za bilo koju od ove dvije frekvencije. Također, važno je napomenuti da će fp biti veća od fs, a blizina između ove dvije frekvencije ovisit će o rezanju i dimenzijama koristene kristalne ploče.

Kristalni oscilatori mogu se dizajnirati tako da kristal uključen u kolo nudi nisku impedanciju kada se operira u serijskom rezonantnom modu (Slika 2a) i visoku impedanciju kada se operira u antirezonantnom ili paralelnom rezonantnom modu (Slika 2b).

U prikazanim kolinama, otpornici R1 i R2 čine naponski delitelj, dok emiter otpornik RE stabilizira kolo. Nadalje, CE (Slika 2a) djeluje kao AC prelazni kondenzator, dok se spojnice kondenzator CC (Slika 2a) koristi za blokiranje propagacije DC signala između kolektora i baze.

Sljedeće, kondenzatori C1 i C2 čine kapacitivni naponski delitelj u slučaju Slike 2b. Osim toga, u kolinama (oba na Slici 2a i 2b) postoji i Radio Frekvencijski Bobin (RFC) koji pruža dvostruki prednost jer osigurava čak i DC struju, te oslobađa izlaz kola od utjecaja AC signala na strujnim linijama.

Nakon podizanja napajanja oscilatoru, amplituda oscilacija u kolu raste dok se ne doseže tačka u kojoj netrivijalnosti u pojačivaču smanjuju petlju guvansa na jedinicu.

Nakon dosegavanja stabilnog stanja, kristal u povratnoj petlji snažno utječe na frekvenciju radnog kola. Nadalje, ovdje se frekvencija automatski prilagođava kako bi omogućila kristalu da predstavlja reaktanciju kolu takvu da je ispunjen Barkhausenov fazijski uvjet.

Općenito, frekvencija kristalnih oscilatora bit će fiksirana na fundamentalnu ili karakterističnu frekvenciju kristala, koja će biti odlučena fizikalnom veličinom i oblikom kristala.

Međutim, ako je kristal neparalelan ili ima neravnomjeran debljina, on može rezonirati na više frekvencija, što rezultira harmonikama.

Dalje, kristalni oscilatori mogu se podešavati na parne ili neparne harmonike fundamentalne frekvencije, što se naziva Harmonični i Pretonalni Oscilatori, redom.

Primjer toga je slučaj kada se paralelna rezonantna frekvencija kristala smanji ili poveća dodavanjem kapacitornog ili induktivnog elementa na kristal, redom.

Tipični radni raspon kristalnih oscilatora je od 40 KHz do 100 MHz, gdje su niskofrekventni oscilatori dizajnirani koristeći OpAmps, dok su visokofrekventni dizajnirani koristeći tranzistor (BJT ili FET).

Frekvencija oscilacija generirana kroz kolo odlučuje se serijskom rezonantnom frekvencijom kristala i neće biti utjecana varijacijama napajanja naponet, parametrima tranzistora itd. Kao rezultat, kristalni oscilatori pokazuju visok Q-faktor s odličnom stabilnošću frekvencije, što ih čini najprikladnijima za visokofrekventne primjene.

Međutim, treba paziti da se kristal vozi samo optimalnom snalom. To je zato što, ako se prevelika snaga dostavi kristalu, mogu se pobuditi parazitne rezonancije u kristalu, što vodi do nestabilne rezonantne frekvencije.

D