Кварцевый осциллятор: схема частота и принцип работы

Кварцевые генераторы работают на принципе обратного пьезоэлектрического эффекта, при котором переменное напряжение, подаваемое на поверхности кристалла, вызывает его вибрацию на собственной частоте. Именно эти колебания в конечном итоге преобразуются в осцилляции.

Эти генераторы обычно изготавливаются из кварца, хотя другие вещества, такие как соль Рошеля и турмалин, также обладают пьезоэлектрическим эффектом, поскольку кварц дешев, доступен и механически прочен по сравнению с другими.

В кварцевых генераторах кристалл надлежащим образом разрезается и закрепляется между двумя металлическими пластинами, как показано на рисунке 1a, электрический эквивалент которого представлен на рисунке 1b. В действительности, кристалл ведет себя как последовательная RLC-цепь, образованная компонентами

1. Низкоомный резистор RS

2. Высокоомный индуктор LS

3. Малоемкий конденсатор CS

которые будут параллельно соединены с емкостью их электродов Cp.

Из-за наличия Cp, кристалл будет резонировать на двух различных частотах, а именно:

1. Серийная резонансная частота, fs, которая возникает, когда серийная емкость CS резонирует с серийной индуктивностью LS. На этом этапе импеданс кристалла будет минимальным, и, следовательно, количество обратной связи будет максимальным. Математическое выражение для этого дано как
   

2. Параллельная резонансная частота, fp, которая проявляется, когда реактивное сопротивление LSCS равно реактивному сопротивлению параллельного конденсатора Cp, то есть LS и CS резонируют с Cp. В этот момент импеданс кристалла будет максимальным, и, следовательно, обратная связь будет минимальной. Математически это можно выразить как
   

Поведение конденсатора будет конденсаторным как ниже fS, так и выше fp. Однако для частот, лежащих между fS и fp, поведение кристалла будет индуктивным. Кроме того, когда частота становится равной параллельной резонансной частоте fp, взаимодействие между LS и Cp образует параллельную LC-колебательную цепь. Таким образом, кристалл можно рассматривать как комбинацию серийных и параллельных резонансных цепей, поэтому необходимо настроить цепь на одну из этих двух. Кроме того, следует отметить, что fp будет выше, чем fs, а близость между ними определяется размерами и формой используемого кристалла.

Кварцевые генераторы могут быть спроектированы путем подключения кристалла в цепь таким образом, чтобы он предлагал низкое сопротивление при работе в режиме серийного резонанса (рис. 2a) и высокое сопротивление при работе в режиме антирезонанса или параллельного резонанса (рис. 2b).

В показанных схемах резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, в то время как эмиттерный резистор RE стабилизирует цепь. Кроме того, CE (рис. 2a) действует как обходной конденсатор по переменному току, в то время как соединительный конденсатор CC (рис. 2a) используется для блокировки распространения постоянного сигнала между коллектором и базой.

Далее, конденсаторы C1 и C2 образуют делитель напряжения на конденсаторах в случае рисунка 2b. Кроме того, в схемах (оба рисунка 2a и 2b) также присутствует радиочастотная катушка (RFC), которая обеспечивает двойное преимущество, предоставляя не только постоянное смещение, но и защищая выход цепи от воздействия переменного сигнала на линиях питания.

При подаче питания на генератор, амплитуда колебаний в цепи увеличивается до тех пор, пока не достигнет точки, в которой нелинейности в усилителе снижают коэффициент усиления в контуре до единицы.

Затем, при достижении установившегося состояния, кристалл в цепи обратной связи сильно влияет на частоту работы цепи. Далее, частота самонастраивается, чтобы кристалл представлял реактивное сопротивление цепи, удовлетворяющее требование фазы Баркхаузена.

В общем, частота кварцевых генераторов будет зафиксирована на основной или характерной частоте кристалла, которая определяется физическими размерами и формой кристалла.

Однако, если кристалл непараллелепипедный или имеет неравномерную толщину, то он может резонировать на нескольких частотах, приводя к гармоникам.

Кроме того, кварцевые генераторы могут быть настроены либо на четные, либо на нечетные гармоники основной частоты, которые называются гармоническими и сверхгармоническими генераторами соответственно.

Примером этого является случай, когда параллельная резонансная частота кристалла уменьшается или увеличивается путем добавления конденсатора или индуктивности к кристаллу, соответственно.

Типичный диапазон работы кварцевых генераторов составляет от 40 КГц до 100 МГц, где низкочастотные генераторы проектируются с использованием операционных усилителей, а высокочастотные — с использованием транзисторов (БТР или ПТР).

Частота колебаний, генерируемых цепью, определяется серийной резонансной частотой кристалла и не зависит от вариаций напряжения питания, параметров транзистора и т.д. В результате, кварцевые генераторы демонстрируют высокий Q-фактор с отличной стабильностью частоты, что делает их наиболее подходящими для высокочастотных применений.

Однако следует соблюдать осторожность, чтобы кристалл питался оптимальной мощностью. Это связано с тем, что, если на кристалл подается слишком много мощности, могут возбудиться паразитные резонансы, что приводит к нестабильной резонансной частоте.

Кроме того, форма выходного сигнала может быть искажена из-за ухудшения характеристик фазового шума. Более того, это может привести к разрушению устройства (кристалла) из-за перегрева.

Кварцевые генераторы компактны и недороги, поэтому они широко используются в системах электронной войны, системах связи, системах управления, микропроцессорах, микроконтроллерах, системах космического слежения, измерительных приборах, медицинских устройствах, компьютерах, цифровых системах, приборостроении, фазовых автоподстройках частоты, модемах, датчиках, жестких дисках, морских системах, телекоммуникациях, системах управления двигателями, часах, глобальных системах позиционирования (GPS), кабельных телевизионных системах