Kristalni oscilator: šema frekvencija i način rada

Kristalni oscilatori funkcionišu na principu inverznog piezoelektričnog efekta, pri čemu se alternativni napon primenjen na površinama kristala dovodi do njegovih vibracija na prirodnoj frekvenciji. Te su vibracije ono što se na kraju pretvara u oscilacije.

Ovi oscilatori obično su izrađeni od kristala kvartza, iako i druge supstance, kao što su so soli Rochelle-a i turmalin, pokazuju piezoelektrični efekat, jer je kvarc jeftin, prirodno dostupan i mehanički snažan u poređenju sa drugima.

U kristalnim oscilatorima, kristal je odgovarajuće isečen i montiran između dve metalne ploče, kako je prikazano na slici 1a, čiji je električni ekvivalent prikazan na slici 1b. U stvari, kristal se ponaša kao serijska RLC kola, formirana komponentama

1. Niskovaljena otpornost RS

2. Visokovaljena induktivnost LS

3. Malovaljena kapacitivnost CS

koje će biti paralelno sa kapacitivnošću svojih elektroda Cp.

Zahvaljujući prisutnosti Cp, kristal će rezonirati na dve različite frekvencije, to jest,

1. Serijasna rezonantna frekvencija, fs koja se javlja kada serijasna kapacitivnost CS rezonira sa serijasnom induktivnošću LS. U ovom trenutku, impedansa kristala će biti najmanja, a količina povratne veze će biti najveća. Matematički izraz za to je dat kao
   

2. Paralelna rezonantna frekvencija, fp kao rezultat situacije u kojoj reaktivna otpornost LSCS nog jednaka reaktivnoj otpornosti paralelne kapacitivnosti Cp tj. LS i CS rezoniraju sa Cp. U ovom trenutku, impedansa kristala će biti najveća, a povratna veza će biti najmanja. Matematički to može biti dato kao
   

Ponašanje kapacitivnosti će biti kapacitivno ispod fS i iznad fp. Međutim, za frekvencije koje se nalaze između fS i fp, ponašanje kristala će biti induktivno. Dalje, kada frekvencija postane jednaka paralelnoj rezonantnoj frekvenciji fp, tada interakcija između LS i Cp formira paralelno LC tank kolo. Stoga, kristal se može posmatrati kao kombinacija serijskih i paralelnih rezonantnih kola, zbog čega je potrebno da se kolo podešava za jednu od ove dvije frekvencije. Takođe, treba napomenuti da će fp biti veća od fs, a blizina između ove dve frekvencije će biti određena presekom i dimenzijama koriscenog kristala.

Kristalni oscilatori mogu biti dizajnirani tako što se kristal spoji u kolo na način da pruža nisku impedansu kada radi u serijskom rezonantnom režimu (Slika 2a) i visoku impedansu kada radi u antirezonantnom ili paralelnom rezonantnom režimu (Slika 2b).

U prikazanim kolinama, otpornici R1 i R2 formiraju delilac napona, dok emiter otpornik RE stabilizuje kolo. Dalje, CE (Slika 2a) deluje kao AC omiljeni kondenzator, dok se spajni kondenzator CC (Slika 2a) koristi da blokira propagaciju DC signala između kolektora i baze.

Dalje, kondenzatori C1 i C2 formiraju delilac kapacitivnog napona u slučaju Slike 2b. Osim toga, u kolinama (oba na Slici 2a i 2b) postoji i Radio Frekvencijski Bobinjak (RFC) koji pruža dvostruki prednost jer pruža i DC bias i oslobađa izlaz kola od uticaja AC signala na napajajućim linijama.

Na snabdjevanje oscilatora strujom, amplituda oscilacija u kolu se povećava sve dok se ne dostigne tačka u kojoj netrivijalnosti u pojačivaču smanjuju procvetljavu petlje na jedinicu.

Dalje, kada se dostigne stabilno stanje, kristal u povratnoj petlji značajno utiče na frekvenciju radnog kola. Takođe, ovde se frekvencija automatski podešava kako bi omogućila kristalu da predstavlja reaktivnu otpornost kolu tako da je ispunjen Barkhausenov uslov faze.

Opšteg govora, frekvencija kristalnih oscilatora će biti fiksirana na fundamentalnu ili karakterističnu frekvenciju kristala, koja će biti određena fizičkim veličinama i oblikom kristala.

Međutim, ako je kristal neparalelan ili neuniformne debljine, on može rezonirati na više frekvencija, što rezultira harmonikama.

Dalje, kristalni oscilatori se mogu podesiti na čak i parne ili neparne harmonike fundamentalne frekvencije, što se naziva Harmonični i Overton Oscilatori, redom.

Primer toga je slučaj kada se paralelna rezonantna frekvencija kristala smanji ili poveća dodavanjem kapacitivnosti ili induktivnosti preko kristala, redom.

Tipičan opseg rada kristalnih oscilatora je od 40 KHz do 100 MHz, gde su niskofrekventni oscilatori dizajnirani pomoću OpAmplifikatora, dok su visokofrekventni dizajnirani pomoću tranzistora (BJT-ova ili FET-ova).

Frekvencija oscilacija generisana kroz kolo je određena serijskom rezonantnom frekvencijom kristala i neće biti uticana varijacijama napajajućeg napona, parametrima tranzistora itd. Kao rezultat, kristalni oscilatori pokazuju visoki Q-faktor sa odličnom stabilnošću frekvencije, što ih čini najpogodnijim za visokofrekventne primene.

Međutim, treba voditi računa da se kristal vozi samo optimalnom snagom. To je zato što, ako se prevelika snaga dostavi kristalu, može doći do pobuđivanja parasitnih rezonanci u kristalu, što dovodi do nestabilne rezonantne frekvencije.

Dalje, čak i njegov izlazni valni oblik može biti iskrivljen zbog degradacije performansi faznog šuma. Osim toga, može doći i do unistavanja uređaja (kristala) zbog pregrejanja.

Kristalni oscilatori su kompaktni i niskoceni, zbog čega su široko korišćeni u sistemima elektronske borbe, komunikacionim sistemima, sist