Kvartsoscillator: Krets Struktur Frekvens och Funktionsprincip
Kristalloscillatorer fungerar enligt principen om invers piezoelektrisk effekt, där ett alternerande spänning som appliceras över kristallytorna orsakar vibrationer vid dess naturliga frekvens. Det är dessa vibrationer som till slut konverteras till oscillationer.
Dessa oscillatorer är vanligtvis gjorda av kvarts, även om andra ämnen som Rochelle salt och Tourmaline visar piezoelektrisk effekt eftersom kvarts är billig, naturligt tillgänglig och mekaniskt starkare jämfört med andra.
I kristalloscillatorer är kristallen lämpligt skuren och monterad mellan två metallplattor som visas i figur 1a, vars elektriska motsvarighet visas i figur 1b. I verkligheten beter sig kristallen som en serie RLC-krets, bildad av komponenterna
En lågvärdig resistor RS
En högvärdig induktor LS
En lågvärdig kondensator CS
som kommer att vara parallellt med kapacitansen av dess elektroder Cp.
På grund av närvaron av Cp, kommer kristallen att resonera vid två olika frekvenser nämligen,
Serierezonansfrekvens, fs som uppstår när seriekapacitansen CS resonerar med serieinduktansen LS. Vid detta stadium kommer kristallimpedansen att vara minst och därför kommer återkopplingen att vara störst. Matematisk uttryck för samma ges som
Parallellresonansfrekvens, fp som visas när reaktansen av LSCS ben liknar reaktansen av parallell kapacitator Cp dvs. LS och CS resonerar med Cp. Vid detta ögonblick kommer kristallimpedansen att vara högst och därför kommer återkopplingen att vara minst. Matematiskt kan det givas som
Beteendet hos kapacitorn kommer att vara kapacitivt både under fS och över fp. För frekvenser som ligger mellan fS och ovan fp, kommer kristallens beteende att vara induktivt. När frekvensen blir lika med parallellresonansfrekvensen fp, så kommer interaktionen mellan LS och Cp att bilda en parallelljusterad LC-tankkrets. Därför kan en kristall ses som en kombination av serieresonans- och parallellresonanskretsar, vilket innebär att man behöver justera kretsen för någon av de två. Dessutom bör det noteras att fp kommer att vara högre än fs och närliggandet mellan de två bestäms av skärningen och dimensionerna på den använda kristallen.
Kristalloscillatorer kan designas genom att ansluta kristallen till kretsen så att den erbjuder låg impedans när den drivs i serieresonanstillstånd (Figur 2a) och hög impedans när den drivs i antiresonanstillstånd eller parallellresonanstillstånd (Figur 2b).
I de visade kretsarna bildar motstånden R1 och R2 en spänningsdelarkrets medan emittentmotståndet RE stabiliserar kretsen. Vidare fungerar CE (Figur 2a) som en AC-bypasskapacitator medan kopplingskapacitatorn CC (Figur 2a) används för att blockera DC-signalpropagering mellan kollektor- och baskontakterna.
Nästa, bildar kondensatorerna C1 och C2 en kapacitiv spänningsdelarkrets i fallet med Figur 2b. Dessutom finns det också en radiospiralkondensator (RFC) i kretsarna (både i Figur 2a och 2b) som ger dubbel fördel genom att ge både DC-bias och frigör kretsutmatningen från att påverkas av AC-signaler på strömlinjerna.
När ström levereras till oscillatorn, ökar amplituden av oscillationerna i kretsen tills en punkt når där icke-linjäriteter i förstärkaren reducerar sluten sluttid till enhet.
Nästa, när stabilt tillstånd uppnås, har kristallen i återkopplingslänken stor inverkan på frekvensen i driftkretsen. Vidare kommer frekvensen att själjustera sig för att underlätta för kristallen att presentera en reaktans till kretsen så att Barkhausens fasförhållande uppfylls.
Generellt sett kommer frekvensen hos kristalloscillatorer att sättas till kristallens fundamental- eller karaktärsfrekvens som bestäms av kristallens fysiska storlek och form.
Om dock kristallen är icke-parallell eller av ojämn tjocklek, kan den resonera vid flera frekvenser, vilket resulterar i harmoniska.
Vidare kan kristalloscillatorer justeras till antingen jämna eller udda harmoniska av grundfrekvensen, vilka kallas Harmoniska och Övertone Oscillatorer, respektive.
Ett exempel på detta är fallet där parallellresonansfrekvensen hos kristallen minskas eller ökas genom att lägga till en kapacitator eller en induktor över kristallen, respektive.
Den typiska driftfrekvensområdet för kristalloscillatorer ligger mellan 40 kHz och 100 MHz, där lågfrekvensoscillatorer designas med OpAmps medan högfrekvensoscillatorer designas med transistorer (BJT:er eller FET:er).
Frekvensen av oscillationerna genererade av kretsen bestäms av serieresonansfrekvensen hos kristallen och kommer inte att påverkas av variationer i nätström spänning, transistorparametrar, etc. Som ett resultat visar kristalloscillatorer en hög Q-faktor med utmärkt frekvensstabilitet, vilket gör dem mycket lämpliga för högfrekvensapplikationer.
Det bör dock tas vederbörlig hänsyn till att driva kristallen med optimal ström. Om för mycket ström levereras till kristallen, kan parasitiska resonanser uppkomma i kristallen, vilket leder till instabil resonansfrekvens.
Vidare kan dess utdataform också distorsioneras p.g.a. nedbrytning av dess fasbrusprestanda. Dessutom kan det till och med leda till förstörelse av enheten (kristallen) p.g.a. överhettning.
Kristalloscillatorer är kompakta i storlek och billiga, vilket gör att de används extensivt i elektroniska krigssystem, kommunikationssystem, ledningssystem, mikroprocessorer, mikrokontroller, rymdtrackingssystem, mätinstrument, medicinsk utrustning, datorer, digitala system, instrumentering, faslåsta loop-system, modem, sensorer, diskdriv, marinsystem, telekommunikation, motorstyrningssystem, klockor, Global Positioning System (GPS), kabelfernsehsystem, videokameror, leksaker, videospel, radiosystem, mobiltelefoner, timmar, etc.
Ut
