Oskilator Kristal: Litar Frekuensi & Prinsip Kerja
Kristal osilator beroperasi berdasarkan prinsip efek piezoelektrik songsang di mana tegangan bolak-balik yang dikenakan ke permukaan kristal menyebabkannya bergetar pada frekuensi alaminya. Getaran inilah yang akhirnya diubah menjadi osilasi.
Osilator-oscilator ini biasanya dibuat dari kristal Kuarsa, walaupun bahan lain seperti Garam Rochelle dan Tourmaline juga menunjukkan efek piezoelektrik, karena kuarsa lebih murah, tersedia secara alami, dan lebih kuat secara mekanis dibandingkan bahan lainnya.
Dalam osilator kristal, kristal dipotong dan dipasang dengan tepat antara dua plat logam seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 1a, yang setara elektriknya ditunjukkan oleh Gambar 1b. Dalam kenyataannya, kristal berperilaku seperti rangkaian RLC seri, yang terbentuk oleh komponen-komponen
Resistor bernilai rendah RS
Induktor bernilai tinggi LS
Kapasitor bernilai kecil CS
yang akan paralel dengan kapasitansi elektrodanya Cp.
Karena adanya Cp, kristal akan beresonansi pada dua frekuensi yang berbeda, yaitu,
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 matematikanya diberikan sebagai
Frekuensi Resonansi Paralel, fp yang ditunjukkan ketika reaktansi LSCS sama dengan reaktansi kapasitor paralel Cp yaitu LS dan CS beresonansi dengan Cp. Pada saat ini, impedansi kristal akan paling tinggi dan karenanya umpan balik akan paling sedikit. Secara matematik dapat diberikan sebagai
Perilaku kapasitor akan kapasitif baik di bawah fS dan di atas fp. Namun, untuk frekuensi yang berada di antara fS dan 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. Oleh karena itu, kristal dapat dilihat sebagai kombinasi rangkaian resonansi seri dan paralel, sehingga perlu menyetel sirkuit untuk salah satu di antaranya. Selain itu, perlu dicatat bahwa fp akan lebih tinggi daripada fs dan kedekatan antara keduanya akan ditentukan oleh pemotongan dan dimensi kristal yang digunakan.
Kristal osilator dapat dirancang dengan menghubungkan kristal ke dalam sirkuit sedemikian rupa sehingga menawarkan impedansi rendah ketika beroperasi dalam mode resonansi seri (Gambar 2a) dan impedansi tinggi ketika beroperasi dalam mode anti-resonansi atau resonansi paralel (Gambar 2b).
Dalam sirkuit yang ditunjukkan, resistor R1 dan R2 membentuk jaringan pembagi tegangan sementara resistor emiter RE menstabilkan sirkuit. Lebih lanjut, CE (Gambar 2a) bertindak sebagai kapasitor bypass AC sementara kapasitor penghubung CC (Gambar 2a) digunakan untuk mencegah 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 Koil Frekuensi Radio (RFC) dalam sirkuit (baik di Gambar 2a maupun 2b) yang memberikan keuntungan ganda karena menyediakan bias DC serta membebaskan output sirkuit dari pengaruh sinyal AC pada jalur daya.
Setelah diberikan daya ke osilator, amplitudo osilasi dalam sirkuit meningkat hingga titik di mana nonlinearitas dalam amplifier mengurangi gain loop menjadi satu.
Selanjutnya, setelah mencapai keadaan mantap, kristal dalam loop umpan balik sangat mempengaruhi frekuensi sirkuit operasional. Lebih lanjut, frekuensi akan menyesuaikan diri sendiri sehingga memfasilitasi kristal untuk menampilkan reaktansi ke sirkuit sehingga persyaratan fase Barkhausen terpenuhi.
Secara umum, frekuensi osilator kristal akan tetap pada frekuensi fundamental atau karakteristik kristal yang ditentukan oleh ukuran dan bentuk fisik kristal.
Namun, jika kristal tidak sejajar atau memiliki ketebalan yang tidak seragam, maka mungkin beresonansi pada beberapa frekuensi, menghasilkan harmonisa.
Lebih lanjut, osilator kristal dapat disetel ke harmonisa genap atau ganjil dari frekuensi fundamental, yang disebut Osilator Harmonisa dan Overtone, masing-masing.
Contoh dari ini adalah kasus di mana frekuensi resonansi paralel kristal dikurangi atau ditingkatkan dengan menambahkan kapasitor atau induktor di seberang kristal, masing-masing.
Rentang operasi tipikal osilator kristal adalah dari 40 KHz hingga 100 MHz di mana osilator frekuensi rendah dirancang menggunakan OpAmps sementara osilator 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 daya, parameter transistor, dll. Sebagai hasilnya, osilator kristal menunjukkan faktor Q tinggi dengan stabilitas frekuensi yang luar biasa, menjadikannya sangat cocok untuk aplikasi frekuensi tinggi.
Namun, perlu berhati-hati agar kristal didorong dengan daya optimal saja. Ini karena, jika daya terlalu banyak diberikan ke kristal, maka resonansi parasit mungkin terexcited dalam kristal yang menyebabkan frekuensi resonansi menjadi tidak stabil.
Lebih lanjut, gelombang keluarannya mungkin terdistorsi karena penurunan kinerja noise fase. Selain itu, hal ini bahkan dapat menyebabkan kerusakan perangkat (kristal) karena panas berlebih.
Kristal osilator bersifat kompak dan berbiaya rendah, sehingga mereka digunakan secara luas dalam sistem perang elektronik, sistem komunikasi, sistem panduan, mikroprosesor, mikrokontroler, sistem pelacakan ruang, instrumen pengukur, perangkat medis, komputer, sistem digital, instrumen, sistem phase-locked loop, modem, sensor, drive disk, telekomunikasi, sistem kontrol mesin, jam, Sistem Posisi Global (GPS), sistem televisi kabel, kamera video, mainan, game video, sistem radio, telepon seluler, timer, dll.
Pernyataan: Hormati aslinya, artikel bagus layak dibagikan, jika terdapat pelanggaran hak cipta silakan hubungi untuk menghapus.
