อสิเจนคริสตัล: วงจร ความถี่ และหลักการทำงาน

ออสซิลเลเตอร์คริสตัล ทำงานตามหลักการของผลต้านทานพีซโซอิเล็กทริกที่ทำให้แรงดันไฟฟ้าสลับขึ้นลงผ่านพื้นผิวคริสตัลทำให้มันสั่นสะเทือนที่ความถี่ธรรมชาติของมัน ความสั่นสะเทือนเหล่านี้จะถูกแปลงเป็นการสั่นสะเทือนในที่สุด

ออสซิลเลเตอร์เหล่านี้มักจะทำจากคริสตัลควอตซ์ แม้ว่าสารอื่นๆ เช่น โรเชลล์แซลต์และทัวร์มาลีนจะแสดงผลต้านทานพีซโซอิเล็กทริกได้ เพราะควอตซ์ราคาถูก มีอยู่ในธรรมชาติ และแข็งแรงกว่าเมื่อเทียบกับสารอื่นๆ

ในออสซิลเลเตอร์คริสตัล คริสตัลจะถูกตัดและติดตั้งระหว่างแผ่นโลหะสองแผ่นตามที่แสดงในภาพ 1a ซึ่งวงจรเทียบเท่าทางไฟฟ้าแสดงในภาพ 1b ในความเป็นจริง คริสตัลแสดงพฤติกรรมเหมือนวงจร RLC อนุกรมที่ประกอบด้วยองค์ประกอบ

1. ตัวต้านทานค่าต่ำ RS

2. ตัวเหนี่ยวนำค่าสูง LS

3. ตัวเก็บประจุค่าต่ำ CS

ซึ่งจะอยู่ขนานกับความจุของอิเล็กโทรด Cp.

เนื่องจากมี Cp คริสตัลจะสั่นสะเทือนที่ความถี่สองความถี่ คือ

1. ความถี่สั่นสะเทือนอนุกรม fs ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อความจุอนุกรม CS สั่นสะเทือนกับตัวเหนี่ยวนำอนุกรม LS ณ จุดนี้ อิมพีแดนซ์ของคริสตัลจะต่ำที่สุด ดังนั้นปริมาณการป้อนกลับจะมากที่สุด สมการคณิตศาสตร์สำหรับสิ่งเดียวกันนี้คือ
   

2. ความถี่สั่นสะเทือนขนาน fp ซึ่งแสดงออกเมื่อความต้านทานปฏิกิริยาของ LSCS เท่ากับความต้านทานปฏิกิริยาของตัวเก็บประจุขนาน Cp คือ LS และ CS สั่นสะเทือนกับ Cp ณ จุดนี้ อิมพีแดนซ์ของคริสตัลจะสูงที่สุด ดังนั้นปริมาณการป้อนกลับจะน้อยที่สุด ทางคณิตศาสตร์สามารถเขียนเป็น
   

พฤติกรรมของตัวเก็บประจุจะเป็นแบบตัวเก็บประจุทั้งในช่วงความถี่ต่ำกว่า fS และสูงกว่า fp แต่สำหรับความถี่ที่อยู่ระหว่าง fS และ fp พฤติกรรมของคริสตัลจะเป็นแบบตัวเหนี่ยวนำ นอกจากนี้ เมื่อความถี่เท่ากับความถี่สั่นสะเทือนขนาน fp การโต้ตอบระหว่าง LS และ Cp จะสร้างวงจร LC ที่สั่นสะเทือนแบบขนาน ดังนั้น คริสตัลสามารถมองว่าเป็นการรวมของวงจรสั่นสะเทือนแบบอนุกรมและแบบขนาน ดังนั้นจำเป็นต้องปรับวงจรให้สั่นสะเทือนที่หนึ่งในสองความถี่เหล่านี้ นอกจากนี้ควรทราบว่า fp จะสูงกว่า fs และความใกล้เคียงระหว่างทั้งสองจะขึ้นอยู่กับการตัดและการขนาดของคริสตัลที่ใช้

ออสซิลเลเตอร์คริสตัล สามารถออกแบบโดยเชื่อมต่อคริสตัลเข้ากับวงจรเพื่อให้เสนออิมพีแดนซ์ต่ำเมื่อทำงานในโหมดสั่นสะเทือนอนุกรม (ภาพ 2a) และอิมพีแดนซ์สูงเมื่อทำงานในโหมดสั่นสะเทือนขนานหรือโหมดสั่นสะเทือนแบบแอนติเรโซแนนซ์ (ภาพ 2b).

ในวงจรที่แสดง ตัวต้านทาน R1 และ R2 สร้างเครือข่ายแบ่งแรงดัน ขณะที่ตัวต้านทานเอมิเตอร์ RE ทำให้วงจรเสถียร นอกจากนี้ CE (ภาพ 2a) ทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุ AC บายพาส ในขณะที่ตัวเก็บประจุคูปลิง CC (ภาพ 2a) ใช้เพื่อป้องกันการแพร่กระจายสัญญาณ DC ระหว่างเทอร์มินัลคอลเล็กเตอร์และเบส

ต่อไป ตัวเก็บประจุ C1 และ C2 สร้างเครือข่ายแบ่งแรงดันแบบความจุในกรณีของภาพ 2b นอกจากนี้ยังมีคอยล์ความถี่วิทยุ (RFC) ในวงจร (ทั้งในภาพ 2a และ 2b) ซึ่งให้ประโยชน์คู่คือ ให้การลำเลียง DC พร้อมกับปลดปล่อยเอาต์พุตวงจรจากการส่งผลของสัญญาณ AC บนสายไฟ

เมื่อจ่ายพลังงานให้กับออสซิลเลเตอร์ ความสูงของสัญญาณสั่นสะเทือนในวงจรเพิ่มขึ้นจนถึงจุดที่ความไม่เชิงเส้นในแอมพลิไฟเออร์ลดการขยายวงจรลงเป็น 1

ต่อไป เมื่อถึงภาวะคงที่ คริสตัลในวงจรป้อนกลับมีอิทธิพลต่อความถี่ของวงจรที่ทำงาน นอกจากนี้ ที่นี่ ความถี่จะปรับเองเพื่อให้คริสตัลนำเสนอความต้านทานปฏิกิริยาให้วงจรเพื่อให้ปฏิบัติตามข้อกำหนดเฟสของ Barkhausen

โดยทั่วไป ความถี่ของออสซิลเลเตอร์คริสตัลจะถูกกำหนดให้เป็นความถี่พื้นฐานหรือความถี่เฉพาะของคริสตัล ซึ่งจะถูกกำหนดโดยขนาดและความรูปทรงของคริสตัล

อย่างไรก็ตาม หากคริสตัลไม่ขนานหรือมีความหนาไม่สม่ำเสมอ อาจสั่นสะเทือนที่ความถี่หลายความถี่ ทำให้เกิดฮาร์โมนิก

นอกจากนี้ ออสซิลเลเตอร์คริสตัลสามารถปรับแต่งให้สั่นสะเทือนที่ฮาร์โมนิกคู่หรือคี่ของความถี่พื้นฐาน ซึ่งเรียกว่าออสซิลเลเตอร์ฮาร์โมนิกและออสซิลเลเตอร์โอเวอร์โทน ตามลำดับ

ตัวอย่างหนึ่งคือกรณีที่ความถี่สั่นสะเทือนขนานของคริสตัลลดลงหรือเพิ่มขึ้นโดยการเพิ่มตัวเก็บประจุหรือตัวเหนี่ยวนำข้ามคริสตัล ตามลำดับ

ช่วงการทำงานทั่วไปของออสซิลเลเตอร์คริสตัลคือ 40 KHz ถึง 100 MHz โดยออสซิลเลเตอร์ความถี่ต่ำได้รับการออกแบบโดยใช้ OpAmps ในขณะที่ออสซิลเลเตอร์ความถี่สูงได้รับการออกแบบโดยใช้ทรานซิสเตอร์ (BJTs หรือ FETs)

ความถี่ของการสั่นสะเทือนที่สร้างโดยวงจรจะถูกกำหนดโดยความถี่สั่นสะเทือนอนุกรมของคริสตัล และจะไม่ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า, ค่าพารามิเตอร์ของทรานซิสเตอร์ ฯลฯ ดังนั้น ออสซิลเลเตอร์คริสตัลแสดงค่า Q-factor ที่สูงพร้อมความเสถียรของความถี่ที่ยอดเยี่ยม ทำให้เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานความถี่สูง

อย่างไรก็ตาม ควรระมัดระวังในการขับเคลื่อนคริสตัลด้วยกำลังที่เหมาะสมเท่านั้น หากส่งกำลังมากเกินไปให้คริสตัล อาจทำให้เกิดการสั่นสะเทือนพาราไซติกในคริสตัล ทำให้ความถี่สั่นสะเทือนไม่เสถียร

นอกจากนี้ คลื่นสัญญาณขาออกอาจบิดเบี้ยวเนื่องจากการเสื่อมสภาพของประสิทธิภาพของเสียงเฟส หรืออาจทำให้คริสตัลเสียหายเนื่องจากความร้อนสูงเกินไป

ออสซิลเลเตอร์คริสตัล มีขนาดเล็กและราคาถูก ทำให้ถูกใช้อย่างกว้างขวางในระบบสงครามอิเล็กทรอนิกส์ ระบบสื่อสาร ระบบนำทาง ไมโครโปรเซสเซอร์ ไมโครคอนโทรลเลอร์ ระบบติดตามอวกาศ เครื่องมือวัด เครื่องมือแพทย์ คอมพิวเตอร์ ระบบดิจิตอล ระบบเครื่องมือ ระบบ Phase-Locked Loop (PLL) โมเด็ม เซ็นเซอร์ ไดรฟ์ดิสก์ ระบบสื่อสารทางทะเล โทรคมนาคม ระบบควบคุมเครื่องยนต์ นาฬิกา ระบบ GPS ระบบโทรทัศน์เคเบิล กล้องวิดีโอ ของเล่น วิดีโอเกม ระบบวิทยุ โทรศัพท์มือถือ ตัวจับเวลา ฯลฯ

คำชี้แจง: ขอให้เคารพต้นฉบับ บทความที่ดีควรแชร์ หากมีการละเมิดลิขสิทธิ์โปรดติดต่อเพื่อลบ