크리스탈 오실레이터: 회로, 주파수 및 작동 원리
크리스탈 오실레이터는 역압전 효과를 이용하여 크리스탈 표면에 교류 전압을 가하면 그 고유 주파수로 진동하는 원리로 작동합니다. 이러한 진동이 결국 오실레이션으로 변환됩니다.
이러한 오실레이터는 일반적으로 석영 크리스탈로 제작되지만, Rochelle salt와 Tourmaline 같은 다른 물질도 압전 효과를 나타냅니다. 그러나 석영은 비용이 저렴하고 자연적으로 존재하며 기계적으로 강하기 때문에 다른 물질보다 선호됩니다.
크리스탈 오실레이터에서 크리스탈은 적절히 절단되어 두 개의 금속 플레이트 사이에 장착됩니다(그림 1a 참조). 이때 전기적 등가 회로는 그림 1b와 같습니다. 실제로 크리스탈은 시리즈 RLC 회로처럼 행동하며, 이는 다음 구성 요소들로 이루어집니다:
낮은 값의 저항 RS
큰 값의 인덕터 LS
작은 값의 커패시터 CS
이들은 전극의 캐패시턴스 Cp와 병렬로 연결됩니다.
Cp의 존재로 인해 크리스탈은 두 가지 다른 주파수에서 공진하게 됩니다. 즉,
시리즈 공진 주파수, fs는 시리즈 캐패시턴스 CS가 시리즈 인덕턴스 LS와 공진할 때 발생합니다. 이 단계에서는 크리스탈 임피던스가 가장 낮아 피드백량이 가장 큽니다. 수학적 표현은 다음과 같습니다:
병렬 공진 주파수, fp는 LSCS 지지의 반응도가 병렬 캐패시터 Cp의 반응도와 같아질 때 발생합니다. 즉, LS와 CS가 Cp와 공진할 때입니다. 이 순간에는 크리스탈 임피던스가 가장 높아 피드백량이 가장 적습니다. 수학적으로 다음과 같이 표현할 수 있습니다:
캐패시터의 특성은 fS 아래와 fp 위에서 모두 용량성이 됩니다. 그러나 fS와 fp 사이의 주파수에서는 크리스탈의 특성은 유도성이 됩니다. 또한 주파수가 병렬 공진 주파수 fp와 같아지면, LS와 Cp 간의 상호작용으로 병렬 조정 LC 탱크 회로가 형성됩니다. 따라서 크리스탈은 시리즈와 병렬 조정 공진 회로의 조합으로 볼 수 있으며, 이를 위해 어느 하나의 회로를 조정해야 합니다. 또한 fp는 fs보다 높으며, 두 주파수 간의 근접성은 사용 중인 크리스탈의 절단 및 차원에 의해 결정됩니다.
크리스탈 오실레이터는 시리즈 공진 모드(그림 2a)에서 저 임피던스를 제공하도록 크리스탈을 회로에 연결하거나, 반공진 또는 병렬 공진 모드(그림 2b)에서 고 임피던스를 제공하도록 설계할 수 있습니다.
회로에서 저항 R1과 R2는 전압 분배기 네트워크를 형성하며, 에미터 저항 RE는 회로를 안정화합니다. 또한 CE(그림 2a)는 AC 바이패스 커패시터 역할을 하며, 커플링 커패시터 CC(그림 2a)는 컬렉터와 베이스 단자 사이의 DC 신호 전송을 차단합니다.
다음으로, 그림 2b의 경우 C1과 C2는 캐패시티브 전압 분배기 네트워크를 형성합니다. 또한 (그림 2a와 2b 모두에서) 라디오 주파수 코일(RFC)이 있어 DC 바이어스를 제공하면서 동시에 파워 라인의 AC 신호로 인해 회로 출력이 영향을 받지 않게 합니다.
오실레이터에 전력을 공급하면 회로 내의 진동의 진폭이 증가하여 최종적으로 증폭기의 비선형성이 루프 게인을 1로 감소시키는 지점에 도달합니다.
정상 상태에 도달하면 피드백 루프의 크리스탈이 회로의 작동 주파수에 큰 영향을 미칩니다. 여기서 주파수는 스스로 조정되어 크리스탈이 Barkhausen 위상 조건을 충족하도록 회로에 반응도를 제공하게 됩니다.
일반적으로 크리스탈 오실레이터의 주파수는 크리스탈의 기본 또는 특성 주파수로 고정되며, 이는 크리스탈의 물리적인 크기와 형태에 의해 결정됩니다.
그러나 크리스탈이 평행하지 않거나 두께가 일정하지 않은 경우, 여러 주파수에서 공진하여 고조파를 생성할 수 있습니다.
또한, 크리스탈 오실레이터는 기본 주파수의 짝수 또는 홀수 고조파로 조정될 수 있으며, 이를 각각 Harmonic Oscillator와 Overtone Oscillator라고 합니다.
예를 들어, 크리스탈에 커패시터를 추가하면 병렬 공진 주파수가 감소하고, 인덕터를 추가하면 증가합니다.
크리스탈 오실레이터의 일반적인 작동 범위는 40 KHz부터 100 MHz까지이며, 저주파 오실레이터는 OpAmps를 사용하여 설계되고, 고주파 오실레이터는 트랜지스터(BJTs 또는 FETs)를 사용하여 설계됩니다.
회로에서 생성된 진동의 주파수는 크리스탈의 시리즈 공진 주파수에 의해 결정되며, 공급 전압, 트랜지스터 매개변수 등의 변화에 영향을 받지 않습니다. 결과적으로 크리스탈 오실레이터는 높은 Q-팩터와 우수한 주파수 안정성을 보여, 고주파 응용에 매우 적합합니다.
그러나 크리스탈에 과도한 전력이 공급되는 것을 주의해야 합니다. 너무 많은 전력이 크리스탈에 공급되면, 크리스탈 내에서 부차적인 공진이 발생하여 불안정한 공진 주파수가 생길 수 있습니다.
또한, 이로 인해 출력 파형이 왜곡되고 위상 노이즈 성능이 저하될 수 있으며, 심지어 과열로 인해 크리스탈이 파괴될 수도 있습니다.
크리스탈 오실레이터는 크기가 작고 비용이 낮아 전자전 시스템, 통신 시스템, 유도 시스템, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 우주 추적 시스템, 측정 기기, 의료 기기, 컴퓨터, 디지털 시스템, 계측기, 위상 잠금 루프 시스템, 모뎀, 센서, 디스크 드라이브, 해양 시스템, 통신, 엔진 제어 시스템, 시계, GPS, 케이블 텔레비전 시스템, 비디오 카메라, 장난감, 비디오 게임, 라디오 시스템, 휴대폰, 타이머 등 다양한 분야에서 광범위하게 사용됩니다.
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