Kristālais oscilators: shēma frekvence un darbības princips
Kristāla oscilatori darbojas, balstoties uz inverso piezoelektrisko efektu, kur alternavālā sprieguma piemērošana kristāla virsūrmalām to padara vibrējošu savā dabiskajā frekvencē. Tas ir tie vibrācijas, kas galu galā tiek pārveidotas par oscilācijām.
Šie oscilatori parasti izgatavoti no kvarts kristāla, lai arī citi materiāli, piemēram, Rochelle sāls un turmalīns, arī parāda piezoelektrisko efektu, jo kvarts ir lētāks, dabiski pieejams un mehāniski stiprāks salīdzinājumā ar citiem materiāliem.
Kristāla oscilatoros kristāls tiek atbilstoši sagriezts un montēts starp divām metāla plākņu, kā tas attēlots 1a figūrā, kuras elektriskais ekvivalents ir attēlots 1b figūrā. Reālajā situācijā kristāls izturēties kā serijas RLC shēma, kas veidota no komponentiem
Zems vērtības rezistors RS
Lielas vērtības induktors LS
Mazas vērtības kondensators CS
kas būs paralēli ar tā elektrodēju kapacitāciju Cp.
Tā kā Cp, kristāls rezonēs divās atšķirīgās frekvencēs, proti,
Serijas rezonančfrekvence, fs kad serijas kapacitācija CS rezonē ar serijas induktoru LS. Šajā stadijā kristāla impedancē būs mazākākā un tādējādi atgriezenes daudzums būs lielākais. Matemātiska izteiksme šim ir dota kā
Paralēlas rezonančfrekvence, fp kas rodas, kad reaktance LSCS virzienā vienādojas ar paralēlo kondensatoru Cp reaktance, t.i., LS un CS rezonē ar Cp. Šajā brīdī kristāla impedancē būs visaugstākā un tādējādi atgriezenes daudzums būs mazākais. Matemātiski tas var tikt dots kā
Kondensatora uzvedība būs kapacitīva gan zemāk par fS, gan augstāk par fp. Tomēr frekvences, kas atrodas starp fS un fp, kristāla uzvedība būs induktīva. Tālāk, kad frekvence kļūst vienāda ar paralēlo rezonančfrekvenci fp, tad interakcija starp LS un Cp veidos paralēlu LC tanka shēmu. Tādējādi kristālu var apskatīt kā kombināciju no serijas un paralēlām rezonančshēmām, tādēļ jāpiestaipina shēma vienai no šīm divām. Turklāt jāņem vērā, ka fp būs augstāka par fs un tuvība starp abām tiks noteikta kristāla griešanas un izmēriem.
Kristāla oscilatori var tikt izstrādāti, savienojot kristālu ar shēmu tā, lai tas piedāvātu zemu impedanci, strādājot seriālresonančrežīmā (2a figūra), un augstu impedanci, strādājot antiresonančrežīmā vai paralēlresonančrežīmā (2b figūra).
Attēlotajās shēmās rezistori R1 un R2 veido sprieguma dalītāja tīklu, kamēr emitera rezisors RE stabilizē shēmu. Tālāk, CE (2a figūra) darbojas kā AC ārslaidīgais kondensators, kamēr savienojuma kondensators CC (2a figūra) tiek izmantots, lai bloķētu DC signāla propagāciju starp kolektorā un bāzes termināļiem.
Nākamais, kondensatori C1 un C2 veido kapacitatīvo sprieguma dalītāja tīklu 2b figūras gadījumā. Papildus tam, abās shēmās (gan 2a, gan 2b) ir arī Radiofrekvences spīdols (RFC), kas nodrošina divkāršu priekšrocību, sniedzot pat DC slodzei un atbrīvodama shēmas izvadi no AC signāla uz enerģijas līnijām.
Piegādājot enerģiju oscilatoram, shēmas oscilāciju amplitūda palielinās, līdz punktam, kur amplifikatora nelinearitātes samazina cikla guvumu līdz vienībai.
Nākamais, sasniedzot pastāvīgo stāvokli, kristāls atgriezenes ciklā ievērojami ietekmē strādājošās shēmas frekvenci. Tālāk, šeit, frekvence automātiski pielāgosies, lai kristālam būtu iespējams piedāvāt reaktanci shēmai, lai tiktu apmierinātas Barkhausena fāzes prasības.
Vispārīgi, kristāla oscilatoru frekvence būs fiksēta, lai būtu kristāla pamatfrekvence, kas tiks noteikta kristāla fiziiskajiem izmēriem un formai.
Tomēr, ja kristāls nav paralēls vai ir nevienmērīgas biezuma, tad tas var rezonēt vairākās frekvencēs, radot harmoniskos.
Tālāk, kristāla oscilatorus var pielāgot gan pāru, gan nepāru harmoniskajiem pamatfrekvencei, ko sauc par Harmoniskajiem un Overtone Oscillators, atbilstoši.
Piemērs šim ir tāds gadījums, kad kristāla paralēlā rezonančfrekvence tiek samazināta vai palielināta, pievienojot kondensatoru vai induktora kristālam, atbilstoši.
Kristāla oscilatoru tipiskais darbības diapazons ir no 40 kHz līdz 100 MHz, kur zemas frekvences oscilatorus izstrādā, izmantojot OpAmps, bet augstfrekvences oscilatorus izstrādā, izmantojot transistorus (BJTs vai FETs).
Shēmas generētās oscilācijas frekvence tiks noteikta kristāla serijas rezonančfrekvenci un tiks nemainīga, neatkarīgi no piegādes sprieguma, transistoru parametriem utt. Tādējādi kristāla oscilatori parāda augstu Q-faktoru ar izcilu frekvences stabilitāti, padarot tos vispiemērotākos augstfrekvences lietojumiem.
Tomēr, jāņem vērā, ka kristālam jāpiegādā optimāla vara. Ja kristālam tiek piegādāta pārāk daudz vara, tad var izraisīt parasitārās rezonances kristālā, kas ved pie nestabilas rezonančfrekvences.
Tālāk, pat tā izvades formas var tikt deformētas, dēļ fāzes trokšņa performanču pasliktināšanās. Tāpat tas var pat iznīcināt ierīci (kristālu) dēļ pārāk lielas siltuma rašanās.
Kristāla oscilatori ir kompakts un zemā cena, tādēļ tie tiek plaši izmantoti elektroniskās kara sistēmās, sakaru sistēmās, vadības sistēmās, mikroprocesoriem, mikrokontrolleriem, kosmosa trakeru sistēmās, mērīšanas instrumentos, medicīnas ierīcē
