Kristal na Oscillator: Sirkuito, Prekwensiya & Prinsipyong Paggana

Ang mga Crystal oscillators ay gumagana batay sa prinsipyo ng inverse piezoelectric effect kung saan ang alternating voltage na inilapat sa ibabaw ng crystal ay nagdudulot nito na magwakas sa natural frequency nito. Ito ang mga pagwakas na sa huli ay nakakalikha ng mga osilasyon.

Ang mga oscillators na ito ay karaniwang gawa sa Quartz crystal, bagaman ang iba pang substansya tulad ng Rochelle salt at Tourmaline ay mayroong piezoelectric effect dahil ang quartz ay mas mura, natural na available, at mas matibay mekanikal kumpara sa iba.

Sa mga crystal oscillators, ang crystal ay nararapat na hiwa at inilapat sa pagitan ng dalawang metal plates tulad ng ipinapakita ng Figure 1a kung saan ang electrical equivalent nito ay ipinapakita ng Figure 1b. Sa totoo lang, ang crystal ay gumagana tulad ng series RLC circuit, na nabuo ng mga komponento

1. Isang resistor na may mababang halaga RS

2. Isang inductor na may mataas na halaga LS

3. Isang capacitor na may maliit na halaga CS

na magiging parallel sa capacitance ng mga electrodes nito Cp.

Dahil sa presensya ng Cp, ang crystal ay magreresonate sa dalawang iba't ibang frequencies na ito, na kinabibilangan ng

1. Series Resonant Frequency, fs na nangyayari kapag ang series capacitance CS ay nagsasalubong sa series inductance LS. Sa panahong ito, ang impedance ng crystal ay ang pinakamababa at kaya ang halaga ng feedback ay ang pinakamataas. Ang mathematical expression para dito ay ibinibigay bilang
   

2. Parallel Resonant frequency, fp na ipinapakita kapag ang reactance ng LSCS leg ay katumbas ng reactance ng parallel capacitor Cp i.e. LS at CS resonate sa Cp. Sa panahong ito, ang impedance ng crystal ay ang pinakamataas at kaya ang feedback ay ang pinakamababa. Mathematically it can be given as
   

Ang pag-uugali ng capacitor ay capacitive parehong sa ibaba ng fS at sa itaas ng fp. Gayunpaman, para sa mga frequency na nasa gitna ng fS at fp, ang pag-uugali ng crystal ay inductive. Mas lalo pa, kapag ang frequency ay naging equal sa parallel resonant frequency fp, ang interaksiyon sa pagitan ng LS at Cp ay magtatagpo upang bumuo ng parallel tuned LC tank circuit. Kaya, ang isang crystal ay maaaring ituring na kombinasyon ng series at parallel tuned resonance circuits dahil dito, kailangan mong i-tune ang circuit para sa anumang isa sa dalawang ito. Bukod dito, dapat tandaan na fp ay mas mataas kaysa sa fs at ang pagkakapareho sa pagitan ng dalawa ay sasabihin ng cut at ang dimensyon ng crystal na ginagamit.

Ang mga Crystal oscillators ay maaaring disenyo sa pamamagitan ng pagkonekta ng crystal sa circuit na gayundin ito ay nagbibigay ng mababang impedance kapag ito ay nagsasagawa ng series-resonant mode (Figure 2a) at mataas na impedance kapag ito ay nagsasagawa ng anti-resonant o parallel resonant mode (Figure 2b).

Sa mga circuit na ipinapakita, ang resistors R1 at R2 ay bumubuo ng voltage divider network habang ang emitter resistor RE ay nagpapanatili ng estabilidad ng circuit. Mas lalo pa, CE (Figure 2a) ay gumagana bilang AC bypass capacitor habang ang coupling capacitor CC (Figure 2a) ay ginagamit upang hadlangin ang DC signal propagation sa pagitan ng collector at base terminals.

Pagkatapos, ang mga capacitors C1 at C2 ay bumubuo ng capacitive voltage divider network sa kaso ng Figure 2b. Bukod dito, mayroon din isang Radio Frequency Coil (RFC) sa mga circuit (parehong sa Figure 2a at 2b) na nagbibigay ng doble na benepisyo dahil ito ay nagbibigay ng DC bias at nagpapalaya rin ang output ng circuit mula sa epekto ng AC signal sa power lines.

Kapag binigyan ng power ang oscillator, ang amplitude ng mga osilasyon sa circuit ay tumataas hanggang sa maabot ang punto kung saan ang nonlinearities sa amplifier ay nagbabawas ng loop gain hanggang sa unity.

Pagkatapos, kapag maabot ang steady state, ang crystal sa feedback loop ay malaking nakaapekto sa frequency ng operating circuit. Mas lalo pa, dito, ang frequency ay mag-aadjust sa sarili upang mapabilis ang crystal na magpresenta ng reactance sa circuit na gayundin ang Barkhausen phase requirement ay nasasaklaw.

Sa pangkalahatan, ang frequency ng mga crystal oscillators ay nakafix sa fundamental o characteristic frequency ng crystal na ito ay sasabihin ng pisikal na laki at hugis ng crystal.

Gayunpaman, kung ang crystal ay hindi parallel o may hindi pantay na thickness, ito ay maaaring magresonate sa maraming frequencies, na nagresulta sa harmonics.

Mas lalo pa, ang mga crystal oscillators ay maaaring i-tune sa even o odd harmonic ng fundamental frequency, na tinatawag na Harmonic at Overtone Oscillators, ayon sa pagkakabanggit.

Isang halimbawa nito ay ang kaso kung saan ang parallel resonance frequency ng crystal ay binabawasan o binabago sa pamamagitan ng pagdaragdag ng capacitor o isang inductor sa across ng crystal, ayon sa pagkakabanggit.

Ang typical operating range ng mga crystal oscillators ay mula 40 KHz hanggang 100 MHz kung saan ang mga low frequency oscillators ay disenyo gamit ang OpAmps habang ang high frequency-ones ay disenyo gamit ang transistors (BJTs o FETs).

Ang frequency ng mga osilasyon na nililikha ng circuit ay sasabihin ng series resonant frequency ng crystal at ito ay hindi naapektuhan ng mga pagbabago sa supply voltage, transistor parameters, atbp. Bilang resulta, ang mga crystal oscillators ay nagpapakita ng mataas na Q-factor na may excellent frequency stability, na nagpapahusay sa kanila para sa high-frequency applications.

Gayunpaman, dapat tandaan na ang crystal ay dapat ilagay sa optimum power lamang. Ito ay dahil, kung masyadong maraming power ang inilapat sa crystal, ang parasitic resonances ay maaaring maexcite sa crystal na nagresulta sa unstable resonant frequency.

Mas lalo pa, ang output waveform nito ay maaaring maisira dahil sa degradation sa phase noise performance. Bukod dito, ito ay maaari ring magresulta sa destruction ng device (crystal) dahil sa overheating.

Ang mga Crystal oscillators ay kompakto sa laki at mura kaya sila ay malawakang ginagamit sa electronic warfare systems, communication systems, guidance systems, microprocessors, microcontrollers, space tracking systems, measuring instruments, medical devices, computers, digital systems, instrumentation, phase-locked loop systems, modems, sensors, disk drives, marine systems, telecommunications, engine control systems, clocks, Global Positioning Systems (GPS), cable television systems, video cameras, toys, video games, radio systems, cellular phones, timers, atbp.

Pahayag: Respetuhin ang original, mga magandang artikulo na karapat-dapat na maibahagi, kung may infringement pakiusap ilipat.