Кристалл осцилляторы: схема, частота және құрылу принципі
Кристалдық осцилляторлар кристал беттеріне альтернатив және тұрақты напрямдандыру үшін пайдаланылатын кері пьезоэлектр эффектінің принципіне негізделген. Кристалдың өзінің табиғи частотасында вибрациялауына сейкес, бұл вибрациялар соңында осцилляцияларға айналады.
Бұл осцилляторлар квартц кристалдан жасалған, бірақ Рокелле тамыр солтсы мен Туормалиндің де пьезоэлектр эффектін көрсететіні белгілі. Квартц басқа заттарға қарағанда арзан, табиғаттан табылып, механикалық деңгейде күшті болғандықтан, оны қолдану ыңғайлы.
Кристалдық осцилляторларда, кристал өсуімен екі металл пластина арасына орналастырылады, бұл 1a суретте көрсетілген. Оның электрден эквиваленті 1b суретте көрсетілген. Чындықта, кристал сериялық RLC контуры сынақты түрде құрылған, оның компоненттері:
Төмен бағытталған резистор RS
Жоғары бағытталған индуктор LS
Төмен бағытталған конденсатор CS
Олардың параллельдік емдігі Cpмен бірге болады.
Cpтің қатынасына байланысты, кристал екі айырмашылық частотада резонанс көрсетеді:
Сериялық резонанс частотасы, fs, бұл сериялық емдік CSмен сериялық индуктор LS резонанс көрсеткенде пайда болады. Бұл уақытта, кристалдың импедансы ең төмен болады, сондықтан фидбек ең көп болады. Математикалық формуламен беріледі:
Параллельдік резонанс частотасы, fp, бұл LSCS шартының реактивдік емдігі Cpмен тең болғанда пайда болады, яғни LS және CS Cpмен резонанс көрсетеді. Бұл уақытта, кристалдың импедансы ең жоғары болады, сондықтан фидбек ең аз болады. Математикалық формуламен беріледі:
Конденсатордың әрекеті fS мен fp аралығында індуктивті болады. Бірақ fS мен fp аралығында кристалдың әрекеті індуктивті болады. Содан кейін, fp параллельдік резонанс частотасына тең болғанда, LS және Cp аралығында параллельдік LC тұрғызылған контур пайда болады. Сондықтан, кристалды сериялық және параллельдік резонанс контурының комбинациясы ретінде қарастыру мүмкін, бұл үшін біріншісінен бірін түрлендіру керек. Ескертуге болады, fp fsтен жоғары болады, ал олардың жақындығы кристалдың кесілу және өлшемдеріне байланысты болады.
Кристалдық осцилляторлар кристалды сериялық резонанс режимінде (2a сурет) жұлдыздық импедансы төмен болғанда, ал антирезонанс немесе параллельдік резонанс режимінде (2b сурет) жоғары импедансы болғанда қосылатын контурға қосылады.
Көрсетілген контурларда, резисторлар R1 және R2 напрямдандыру бөлігін құрайды, ал эмиттердік резистор RE контурды стабилизациялайды. Содан кейін, CE (2a сурет) AC байпас конденсаторы ретінде, ал CC (2a сурет) DC сигналды коллектор мен база терминалдары арасында блоқтауда қолданылады.
Содан кейін, C1 және C2 (2b сурет) конденсаторлары капацытивдік напрямдандыру бөлігін құрайды. Қосымша, радио диапазонындағы спираль (RFC) (2a және 2b суреттерде) контурға DC байқытқыш және AC сигналды таратуға қолданылады.
Осцилляторға энергия қосылғанда, контурдегі осцилляциялардың амплитудасы өседі, дейін ампліфікатордың нелинейтігі контурдегі өсімдікті бірлікке түрлендіреді.
Соңында, тұрақты жағдайға жеткенде, фидбек контурындағы кристал контурдің частотасына әсер етеді. Сондықтан, частота өзінің өзін кристалдық реактивдік емдіктерге қолдану арқылы Баркхаузен фазасын қанағаттандыру үшін өзгереді.
Мысалы, кристалдық осцилляторлардың частотасы кристалдың физикалық өлшемі мен формаға байланысты болады.
Егер кристал параллель емес немесе теңсіз қалыңдық болса, онда ол бірнеше частотада резонанс көрсетуі мүмкін, бұл гармоникаларды пайда етеді.
Содан кейін, кристалдық осцилляторлар негізгі частотаның жұп немесе так гармоникасына түрлендіріледі, олар сәйкесінше гармоникалық және овертон осцилляторлар деп аталады.
Мысалы, кристалдың параллельдік резонанс частотасын конденсаторды немесе индукторды кристалға қосу арқылы азайту немесе арту үшін қолданылады.
Кристалдық осцилляторлардың типтік іске қосылу аралығы 40 KHz-тен 100 MHz-ке дейін, құрылғанда OpAmps үшін төмен частоталы осцилляторлар, ал жоғары частоталы осцилляторлар транзисторлар (BJTs же FETs) үшін қолданылады.
Контурдің құрылған осцилляцияларының частотасы кристалдың сериялық резонанс частотасына байланысты болады, ал ол тұтыну напрямдандыруының, транзистор параметрлерінің және т.б. өзгерістеріне тәуелсіз болады. Нәтижесінде, кристалдық осцилляторлар жоғары Q факторымен және жақсы частоталық стабилдікпен, олар жоғары частоталы қолданбалар үшін ең ыңғайлы болады.
Бірақ, кристалды оптималды напрямдандырумен жүктеп отыру үшін ерекшелік беру керек. Бұл себепті, егер кристалға әлі жартылай напрямдандыру қосылса, онда кристалда паразиттік резонанс пайда болуы мүмкін, бұл резонанс частотасын нестабилді етеді.
Содан кейін, оның фазалық шуының құбылысының жоюына қарама-қарсы, оның шығыс сигналының деформациялануы мүмкін. Сондай-ақ, ол кристалды ыстықтықтан жоюына әкелуі мүмкін.
