Kristályoszcillátor: Áramkör Frekvencia és Működési Elv

Kristályos rezgőkörek az inverz piezoelektromos hatás elvén működnek, amelyben a kristály felületeire alkalmazott váltakozó feszültség azt a természetes rezgési frekvencián önmagával rezgő módon hozza. Ezek a rezgések végül átalakulnak rezgőkörbe.

Ezek a rezgőkörek általában kvartzkristályból készülnek, bár más anyagok, mint például a Rochelle-só és a tourmálín is megmutatják a piezoelektromos hatást, mivel a kvartz olcsóbb, természetesen elérhető, és mechanikailag erősebb, mint a többi.

A kristályos rezgőkörekben a kristály megfelelően vágott és két fémmel ellátott lemez közé helyezkedik, ahogy az 1a ábra mutatja, amely elektromos egyenértékét az 1b ábra szemlélteti. Valójában a kristály viselkedése olyan, mint egy soros RLC kör, amelyet a következő komponensekből alkot:

1. Egy alacsony értékű ellenállás RS

2. Egy nagy értékű tekercs LS

3. Egy kis értékű kondenzátor CS

amelyek párhuzamos lesznek a elektrodák kapacitanciájával Cp.

A Cp jelenléte miatt a kristály két különböző frekvencián rezeg, nevezetesen,

1. Soros rezgési frekvencia, fs, ami akkor lép fel, ha a soros kapacitancia CS rezg a soros tekercs LS-sel. Ezen a ponton a kristály ellenállása a legkisebb, így a visszacsatolás a legnagyobb. A matematikai kifejezés:
   

2. Párhuzamos rezgési frekvencia, fp, ami akkor jelentkezik, ha az LSCS ág reaktanciája megegyezik a párhuzamos kondenzátor Cp reaktanciájával, azaz az LS és CS rezg a Cp-vel. Ezen a ponton a kristály ellenállása a legnagyobb, így a visszacsatolás a legkisebb. Matematikailag:
   

A kondenzátor viselkedése kapacitív lesz fS-en alatt és fp-n felett. Azonban fS és fp közötti frekvenciákon a kristály viselkedése induktív lesz. Továbbá, amikor a frekvencia megegyezik a párhuzamos rezgési frekvenciával, fp-vel, akkor az LS és Cp interakciója egy párhuzamos LC rezgőkört formál. Így a kristályt soros és párhuzamos rezgőkör kombinációjaként lehet tekinteni, amely miatt a kör beállítása valamelyik kettőre történik. Továbbá, figyelembe véve, hogy fp nagyobb, mint fs, a kettő közötti közelítés a kristály vágása és mérete alapján dől el.

Kristályos rezgőkörek úgy tervezhetők, hogy a kristály a körbe oly módon csatlakozzon, hogy alacsony ellenállást nyújtson soros rezgési mód (2a ábra) és magas ellenállást nyújtson antirezgési vagy párhuzamos rezgési mód (2b ábra) működés esetén.

A képen látható körökben az ellenállások R1 és R2 a feszültségosztó hálózatot alkotják, míg az emittő ellenállás RE stabilizálja a kört. Továbbá, a CE (2a ábra) AC átkapcsoló kondenzátorként működik, míg a CC (2a ábra) DC jel terjesztésének blokkolására szolgál a kollektor és a bázis terminál között.

Következőleg, a C1 és C2 kondenzátorok a 2b ábra esetén a kapacitív feszültségosztó hálózatot alkotják. Emellett a körökben (mind a 2a-ban, mind a 2b-ben) van egy rádiófrekvenciás tekercs (RFC), amely két előnyt kínál, hiszen még a DC torzítást is biztosítja, valamint a kör kimenetét mentesíti a hálózati AC jel hatásától.

Az rezgőkör tápellátásának megadásakor a körben lévő rezgések amplitúdója növekszik, amíg a pontot el nem éri, ahol az erősítő nemlinearitásai csökkentik a huroknyereséget egységnyi értékre.

Következőleg, a szabályozott állapot elérésekor a visszacsatoló hurokban lévő kristály nagymértékben befolyásolja a működő kör frekvenciáját. Továbbá, itt a frekvencia automatikusan beáll, hogy a kristály a körnek olyan reaktanciát adjon, hogy a Barkhausen-fázis követelmény teljesüljön.

Általánosságban, a kristályos rezgőkörek frekvenciája rögzített, a kristály alap- vagy jellemző frekvenciájára állított, amely a kristály fizikai méretének és alakjának függvénye.

Ha azonban a kristály nem párhuzamos vagy nem egyenletes vastagságú, akkor több frekvencián is rezgenhet, ami harmonikus rezgésekhez vezethet.

Továbbá, a kristályos rezgőköreket a alapfrekvencia páros vagy páratlan harmonikusára lehet beállítani, amelyeket Harmonikus és Felsőhangos Rezgőköreknek nevezünk.

Egy ilyen példa, amikor a kristály párhuzamos rezgési frekvenciája csökken vagy nő, attól függően, hogy a kristályhoz kondenzátor vagy tekercs adódik.

A kristályos rezgőkörek tipikus működési tartománya 40 kHz-tól 100 MHz-ig terjed, ahol a alacsony frekvenciás rezgőköreket OpAmp-okkal, míg a magas frekvenciás rezgőköreket tranzisztorokkal (BJT-ekkel vagy FET-ekkel) tervezik.

A kör által generált rezgések frekvenciája a kristály soros rezgési frekvenciáján alapul, és nem befolyásolódik a tápellátás feszültségének, a tranzisztor paramétereinek, stb. változásaitól. Ennek eredményeként a kristályos rezgőkörek nagy Q-értékkel és kiváló frekvenciastabilitással rendelkeznek, ami őket nagyon magas frekvenciás alkalmazásokra alkalmasá teszi.

Ugyanakkor óvatosan kell járni, hogy a kristályt csak optimális teljesítménnyel hajtsuk. Ha túl sok energia jut a kristályhoz, akkor paraszitáris rezgések indulhatnak el benne, ami instabil rezgési frekvenciához vezethet.

Továbbá, a kimeneti hullámforma torzulhat a fázis zajteljesítmény romlása miatt, és sőt, a kristály túlhődésével a berendezés (kristály) pusztulhat el.

Kristályos rezgőkörek kis méretű