Kristal Oscillator: Schakeling, Frequentie & Werkingsprincipe
Kristaloscillatoren werken op basis van het principe van de inverse piezoelektrische effect, waarbij een wisselspanning die over de kristaloppervlakken wordt aangebracht, ervoor zorgt dat het kristal trilt op zijn natuurlijke frequentie. Het zijn deze trillingen die uiteindelijk worden omgezet in oscillaties.
Deze oscillatoren worden meestal gemaakt van kwarts, hoewel andere stoffen zoals Rochelle-zout en Tourmaline ook het piezoelektrische effect vertonen, omdat kwarts goedkoop, natuurlijk beschikbaar en mechanisch sterker is dan andere materialen.
Bij kristaloscillatoren wordt het kristal geschikt gesneden en tussen twee metalen platen gemonteerd, zoals getoond in figuur 1a, waarvan het elektrische equivalent wordt weergegeven in figuur 1b. In de praktijk gedraagt het kristal zich als een serie RLC-schakeling, gevormd door de componenten
Een lage-waardige weerstand RS
Een hoge-waardige spoel LS
Een kleine condensator CS
die parallel zullen staan met de capaciteit van de elektroden Cp.
Door de aanwezigheid van Cp, zal het kristal resoneren op twee verschillende frequenties, te weten,
Resonantiefrequentie in serie, fs die optreedt wanneer de seriereactance CS resoneert met de serie-inductie LS. Op dit moment zal de impedantie van het kristal het laagst zijn en dus de hoeveelheid feedback het grootst. De wiskundige uitdrukking hiervoor is gegeven als
Parallel resonantiefrequentie, fp die optreedt wanneer de reactantie van de LSCS arm gelijk is aan de reactantie van de parallelle condensator Cp d.w.z. LS en CS resoneren met Cp. Op dit moment zal de impedantie van het kristal het hoogst zijn en dus de feedback het minst. Wiskundig kan dit worden gegeven als
Het gedrag van de condensator zal capaciteitsgedrag vertonen zowel onder fS als boven fp. Echter, voor frequenties die liggen tussen fS en fp, zal het gedrag van het kristal inductief zijn. Bovendien, wanneer de frequentie gelijk wordt aan de parallel resonantiefrequentie fp, dan zal de interactie tussen LS en Cp een parallel afgestemde LC-tankcircuit vormen. Daarom kan een kristal worden gezien als een combinatie van series en parallel afgestemde resonantiecirkels, waardoor men de cirkel moet afstemmen voor een van deze twee. Bovendien is het belangrijk op te merken dat fp hoger zal zijn dan fs en de nabijheid tussen de twee wordt bepaald door de snede en de afmetingen van het gebruikte kristal.
Kristaloscillatoren kunnen worden ontworpen door het kristal in de schakeling zo aan te sluiten dat het een lage impedantie biedt wanneer het in serie-resonantie wordt bedreven (figuur 2a) en een hoge impedantie wanneer het in anti-resonantie of parallel resonantie wordt bedreven (figuur 2b).
In de getoonde schakelingen vormen de weerstanden R1 en R2 het spanningsdeler netwerk, terwijl de emitterweerstand RE de schakeling stabiliseert. Verder fungeert CE (figuur 2a) als een AC-bypass-condensator, terwijl de koppelingscondensator CC (figuur 2a) wordt gebruikt om de DC-signaaloverdracht tussen de collector en de base-terminals te blokkeren.
Vervolgens vormen de condensatoren C1 en C2 het capacitaire spanningsdeler netwerk in het geval van figuur 2b. Daarnaast is er ook een Radio Frequency Coil (RFC) in de schakelingen (zowel in figuur 2a en 2b), die dubbel voordeel biedt, omdat het zowel de DC-bias levert als de schakelingsuitgang vrijmaakt van invloed door het AC-signaal op de voedingsspanning.
Bij het aansluiten van de voeding aan de oscillator, neemt de amplitude van de oscillaties in de schakeling toe totdat een punt wordt bereikt waarbij de niet-lineariteiten in de versterker de lusversterking terugbrengen tot eenheid.
Nadat de stabiele toestand is bereikt, heeft het kristal in de feedbacklus een grote invloed op de frequentie van de werkende schakeling. Verder zal de frequentie zichzelf aanpassen om het kristal een reactantie te laten presenteren aan de schakeling, zodat de fasevereiste van Barkhausen wordt voldaan.
Over het algemeen zal de frequentie van de kristaloscillatoren vastgesteld zijn op de fundamentele of karakteristieke frequentie van het kristal, die wordt bepaald door de fysieke grootte en vorm van het kristal.
Echter, als het kristal niet-paralel is of van ongelijke dikte, dan kan het op meerdere frequenties resoneren, wat harmonischen oplevert.
Verder kunnen de kristaloscillatoren worden afgestemd op even of oneven harmonische van de fundamentele frequentie, die respectievelijk worden genoemd Harmonische en Overtone Oscillators.
Een voorbeeld hiervan is het geval waarbij de parallel resonantiefrequentie van het kristal wordt verlaagd of verhoogd door een condensator of een spoel over het kristal te plaatsen, respectievelijk.
Het typische werkingsbereik van de kristaloscillatoren ligt tussen 40 KHz en 100 MHz, waarbij de lage-frequentieoscillatoren worden ontworpen met behulp van OpAmps, terwijl de hoge-frequentieoscillatoren worden ontworpen met behulp van transistors (BJTs of FETs).
De frequentie van de door de schakeling gegenereerde oscillaties wordt bepaald door de reeksresonantiefrequentie van het kristal en zal onbeïnvloed blijven door variaties in de voedingsspanning, transistorparameters, enz. Als gevolg daarvan vertonen kristaloscillatoren een hoge Q-factor met uitstekende frequentiestabiliteit, waardoor ze bijzonder geschikt zijn voor toepassingen met hoge frequenties.
Er dient echter zorg te worden besteed om het kristal alleen met optimale vermogen te drijven. Dit is omdat, als te veel vermogen naar het kristal wordt gevoerd, de parasitaire resonanties in het kristal kunnen worden opgewekt, wat leidt tot een instabiele resonantiefrequentie.
Bovendien kan de uitgangsgolfvorm vervormd raken door de degradatie van de fasegeruisprestaties. Bovendien kan dit zelfs leiden tot de vernietiging van het apparaat (het kristal) door oververhitting.
Kristaloscillatoren zijn compact van formaat en van lage kosten, waardoor ze breed worden toegepast in elektronische oorlogvoeringssystemen, communicatiesystemen, richtsystemen, microprocessors, microcontrollers, ruimtetrajeksysteems, meetinstrumenten, medische apparatuur, computers, digitale systemen, instrumentatie, fase-gesloten lus-systemen, modems, sensoren, harde schijf-aandrijvingen, telecommunicatiesystemen, motoraandrijfsystemen, klokken, Global Positioning Systems (GPS), kabeltelevisiesystemen, videocamera's, speelgoed, videogames, radiosystemen, mobiele telefoons, timers, enz.
Verklaring: Respecteer het oorspronkelijke, goede artikelen zijn de moede gedeeld, als er inbreuk is wordt contact
