Kvartsoskillator: Krets frekvens og arbeidsprinsipp
Kristalloscillatører fungerer basert på den inverse piezoelektriske effekten, hvor et alternerende spenningsforhold over kristallytene fører til at det vibrerer med sin naturlige frekvens. Det er disse vibrasjonene som til slutt blir konvertert til oscillasjoner.
Disse oscillatørene er vanligvis laget av kvarts, selv om andre stoffer som Rochelle salt og Tourmaline viser piezoelektrisk effekt, fordi kvarts er billig, naturlig tilgjengelig og mekanisk sterkt sammenlignet med de andre.
I kristalloscillatører er kristallet passende kutte og montert mellom to metallplater som vist i figur 1a, hvis elektriske ekvivalent er vist i figur 1b. I virkeligheten oppfører kristallet seg som en serie RLC-krets, dannet av komponentene
En lavverdig motstand RS
En høyverdig spole LS
En lavverdig kondensator CS
som vil være parallelt med kapasitansen av elektrodene Cp.
På grunn av tilstedeværelsen av Cp, vil kristallet resonere ved to ulike frekvenser, nemlig
Serierezonansfrekvens, fs som forekommer når seriekapasitansen CS resonanter med serieinduktansen LS. På dette stadiet vil kristallimpedansen være minst, og dermed vil tilbakemeldingen være størst. Matematisk uttrykk for dette er gitt som
Parallellrezonansfrekvens, fp som vises når reaktansen av LSCS grenen er lik reaktansen av parallellkondensator Cp dvs. LS og CS resonanter med Cp. På dette øyeblikket vil kristallimpedansen være størst, og dermed vil tilbakemeldingen være minst. Matematisk kan det gis som
Oppførselen til kondensatoren vil være kapasitiv både under fS og over fp. For frekvenser som ligger mellom fS og fp, vil kristallets oppførsel være induktiv. Når frekvensen blir lik parallellrezonansfrekvens fp, vil interaksjonen mellom LS og Cp danne en parallellejustert LC-tankkrets. Derfor kan en kristall sees på som en kombinasjon av serie- og parallellejusterte resonanskretser, slik at man må justere kretsen for én av disse to. Det er også verdt å merke seg at fp vil være høyere enn fs, og nærheten mellom de to vil bli bestemt av skjæringen og dimensjonene til kristallet i bruk.
Kristalloscillatører kan designes ved å koble kristallet til kretsen slik at det gir lav impedans når det drives i serieresonansmodus (figur 2a) og høy impedans når det drives i antiresonans- eller parallelleserioresonansmodus (figur 2b).
I kretsene vist, danner motstandene R1 og R2 spenningsdelerkretsen, mens emittermotstanden RE stabiliserer kretsen. Videre fungerer CE (figur 2a) som en AC-bypasskondensator, mens koblingskondensatoren CC (figur 2a) brukes til å blokkere DC-signalpropagasjon mellom kollektor- og basekontakter.
Deretter danner kondensatorene C1 og C2 kapasitiv spenningsdelerkretsen i tilfelle figur 2b. I tillegg er det også en radiofrekvensspole (RFC) i kretsene (begge i figur 2a og 2b) som gir dobbeltfordel ved å gi både DC-forskyvning og frigjøre kretsutgangen fra å bli påvirket av AC-signaler på strømledningen.
Når strøm leveres til oscillatøren, øker amplituden til oscillasjonene i kretsen til et punkt der ikke-linearitetene i forsterkeren reduserer løkkeforsterkningen til enhet.
Når stabiltilstanden er nådd, har kristallet i tilbakemeldingsløkka stor innflytelse på frekvensen i operativ krets. Videre vil frekvensen selvjustere for å gjøre det mulig for kristallet å presentere en reaktans til kretsen slik at Barkhausens faserequirement er oppfylt.
Generelt vil frekvensen til kristalloscillatører være fastsatt til kristallets fundamentale eller karakteristiske frekvens, som vil bli bestemt av fysisk størrelse og form av kristallet.
Hvis kristallet imidlertid er ikke-parallelt eller har ulik tykkelse, kan det resonere ved flere frekvenser, noe som resulterer i harmoniske.
Videre kan kristalloscillatører justeres til enten partall eller oddetallsharmonisk av fundamentalfrekvensen, som kalles Harmoniske og Overtone Oscillatører, henholdsvis.
Et eksempel på dette er tilfellet der parallelle rezonansfrekvensen til kristallet blir redusert eller økt ved å legge til en kondensator eller en spole over kristallet, henholdsvis.
Den typiske driftsområdet for kristalloscillatører er fra 40 kHz til 100 MHz, der lavfrekvensoscillatører er designet med OpAmps, mens høyfrekvensoscillatører er designet med transistorer (BJTs eller FETs).
Frekvensen av oscillasjonene generert av kretsen er bestemt av serierezonansfrekvensen til kristallet og vil ikke bli påvirket av variasjoner i strømforsyningens spenning, transistorparametre, osv. Som en følge av dette viser kristalloscillatører en høy Q-faktor med fremragende frekvensstabilitet, som gjør dem mest egnet for høyfrekvensapplikasjoner.
Man bør imidlertid passe på å drive kristallet med optimal effekt. Dette skyldes at hvis for mye effekt leveres til kristallet, kan parasittiske resonanser bli utløst i kristallet, noe som fører til ustabil resonansfrekvens.
Videre kan selve utdataformen bli forvretet på grunn av nedbryting av fasestøy-ytelsen. Dessuten kan det til og med føre til ødelegging av enheten (kristallet) på grunn av overoppvarming.
Kristalloscillatører er kompakte i størrelse og billige, noe som gjør at de blir omfattende brukt i elektroniske krigssystemer, kommunikasjonssystemer, veiledningssystemer, mikroprosessorer, mikrokontrollerer, romsporingssystemer, måleenheter, medisinsk utstyr, datamaskiner, digitale systemer, instrumentering, fasekoblet løkkesystemer, modem, sensorer, diskdrev, marinesystemer, telekommunikasjon, motorstyringssystemer, klokker, globale posisjonssystemer (GPS), kabel-TV-systemer, videokameraer, leker, videospill, radiosystemer, mobiltelefoner, timere, osv.
Erklæring: Respektér originalen, godt innhold fortjener deling, ved krænking kontakt for sletting.
