Oscilator Kristal: Rangkaian Frekuensi & Prinsip Kerja

Kristal oscillator beroperasi berdasarkan prinsip efek piezoelektrik terbalik di mana tegangan bolak-balik yang diterapkan pada permukaan kristal menyebabkannya bergetar pada frekuensi alaminya. Getaran inilah yang akhirnya diubah menjadi osilasi.

Oscillator ini biasanya terbuat dari kristal Kuarsa, meskipun bahan lain seperti Garam Rochelle dan Tourmaline juga menunjukkan efek piezoelektrik karena kuarsa lebih murah, tersedia secara alami, dan lebih kuat secara mekanis dibandingkan dengan bahan lainnya.

Dalam oscillator kristal, kristal dipotong dan dipasang di antara dua pelat logam seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 1a, yang setara elektriknya ditunjukkan oleh Gambar 1b. Secara nyata, kristal berperilaku seperti rangkaian RLC seri, yang dibentuk oleh komponen-komponen

1. Resistor bernilai rendah RS

2. Induktor bernilai tinggi LS

3. Kapasitor bernilai kecil CS

yang akan paralel dengan kapasitansi elektrodanya Cp.

Karena adanya Cp, kristal akan beresonansi pada dua frekuensi berbeda yaitu,

1. Frekuensi Resonansi Seri, fs yang terjadi ketika kapasitansi seri CS beresonansi dengan induktansi seri LS. Pada tahap ini, impedansi kristal akan paling rendah dan karenanya jumlah umpan balik akan paling besar. Ekspresi matematika untuk hal yang sama diberikan sebagai
   

2. Frekuensi Resonansi Paralel, fp yang ditunjukkan ketika reaktansi LSCS sama dengan reaktansi kapasitor paralel Cp yaitu LS dan CS beresonansi dengan Cp. Pada saat itu, impedansi kristal akan tertinggi dan karenanya umpan balik akan paling sedikit. Secara matematis dapat diberikan sebagai
   

Perilaku kapasitor akan kapasitif baik di bawah fS maupun di atas fp. Namun, untuk frekuensi yang berada di antara fS dan di atas fp, perilaku kristal akan induktif. Selanjutnya, ketika frekuensi menjadi sama dengan frekuensi resonansi paralel fp, maka interaksi antara LS dan Cp akan membentuk rangkaian LC paralel yang disetel. Oleh karena itu, kristal dapat dilihat sebagai kombinasi dari rangkaian resonansi seri dan paralel, sehingga perlu menyetel sirkuit untuk salah satu di antara keduanya. Selain itu, perlu dicatat bahwa fp akan lebih tinggi daripada fs dan kedekatan antara keduanya akan ditentukan oleh pemotongan dan dimensi kristal yang digunakan.

Oscillator kristal dapat dirancang dengan menghubungkan kristal ke dalam sirkuit sedemikian rupa sehingga menawarkan impedansi rendah saat dioperasikan dalam mode resonansi seri (Gambar 2a) dan impedansi tinggi saat dioperasikan dalam mode anti-resonansi atau resonansi paralel (Gambar 2b).

Dalam sirkuit yang ditampilkan, resistor R1 dan R2 membentuk jaringan pembagi tegangan sementara resistor emitor RE menstabilkan sirkuit. Selanjutnya, CE (Gambar 2a) berfungsi sebagai kapasitor bypass AC sementara kapasitor penghubung CC (Gambar 2a) digunakan untuk memblokir propagasi sinyal DC antara terminal kolektor dan basis.

Selanjutnya, kapasitor C1 dan C2 membentuk jaringan pembagi tegangan kapasitif dalam kasus Gambar 2b. Selain itu, ada juga Coil Frekuensi Radio (RFC) dalam sirkuit (kedua di Gambar 2a dan 2b) yang menawarkan keuntungan ganda karena memberikan bias DC serta membebaskan output sirkuit dari pengaruh sinyal AC pada jalur daya.

Setelah daya disuplai ke oscillator, amplitudo osilasi dalam sirkuit meningkat hingga titik tertentu di mana nonlinearitas dalam amplifier mengurangi gain loop menjadi satu.

Selanjutnya, setelah mencapai keadaan tetap, kristal dalam loop umpan balik sangat mempengaruhi frekuensi sirkuit operasional. Lebih lanjut, di sini, frekuensi akan menyesuaikan diri sendiri agar memfasilitasi kristal untuk menampilkan reaktansi ke sirkuit sehingga persyaratan fase Barkhausen terpenuhi.

Secara umum, frekuensi oscillator kristal akan tetap pada frekuensi fundamental atau karakteristik kristal yang akan ditentukan oleh ukuran fisik dan bentuk kristal.

Namun, jika kristal tidak sejajar atau memiliki ketebalan yang tidak seragam, maka mungkin beresonansi pada beberapa frekuensi, menghasilkan harmonisa.

Lebih lanjut, oscillator kristal dapat disetel ke harmonisa genap atau ganjil dari frekuensi fundamental, yang disebut Harmonic dan Overtone Oscillators, masing-masing.

Sebagai contoh, adalah kasus di mana frekuensi resonansi paralel kristal dikurangi atau ditingkatkan dengan menambahkan kapasitor atau induktor di seberang kristal, masing-masing.

Rentang operasional tipikal oscillator kristal adalah dari 40 KHz hingga 100 MHz di mana oscillator frekuensi rendah dirancang menggunakan OpAmps sementara yang frekuensi tinggi dirancang menggunakan transistor (BJTs atau FETs).

Frekuensi osilasi yang dihasilkan oleh sirkuit ditentukan oleh frekuensi resonansi seri kristal dan tidak akan terpengaruh oleh variasi tegangan suplai, parameter transistor, dll. Sebagai hasilnya, oscillator kristal menunjukkan Q-factor tinggi dengan stabilitas frekuensi yang luar biasa, menjadikannya paling cocok untuk aplikasi frekuensi tinggi.

Namun, perlu berhati-hati agar hanya menggerakkan kristal dengan daya optimal saja. Ini karena, jika terlalu banyak daya disalurkan ke kristal, maka resonansi parasit mungkin akan terexcite di kristal yang menyebabkan frekuensi resonansi menjadi tidak stabil.

Lebih lanjut, gelombang outputnya mungkin akan distorsi karena penurunan performa noise fase. Selain itu, bahkan bisa menyebabkan kerusakan perangkat (kristal) karena panas berlebih.

Oscillator kristal bersifat kompak dan biaya rendah sehingga mereka digunakan secara luas dalam sistem perang elektronik, sistem komunikasi, sistem panduan, mikroprosesor, mikrokontroler, sistem pelacakan ruang, instrumen pengukuran, perangkat medis, komputer, sistem digital, instrumentasi, sistem phase-locked loop, modem, sensor, drive disk, telekomunikasi, sistem kontrol mesin, jam, Sistem Posisi Global (GPS), sistem televisi kabel, kamera video, mainan, permainan video, sistem radio, telepon seluler, timer, dll.

Pernyataan: Hormati aslinya, artikel bagus layak dibagikan, jika terdapat pelanggaran silakan hubungi untuk menghapus.