Кварцевий генератор: схема, частота та принцип роботи
Кристалові генератори працюють на основі зворотного п'єзоелектричного ефекту, при якому чергування напруги, застосоване до поверхонь кристалу, викликає його вібрації на природній частоті. Саме ці вібрації в кінцевому підсумку перетворюються на коливання.
Ці генератори зазвичай виготовляються з кристалу кварцу, хоча інші речовини, такі як сіль Рашела та турмалін, також демонструють п'єзоелектричний ефект, оскільки кварц дешевший, натурально доступний і механічно міцніший порівняно з іншими.
У кристалових генераторах кристал відповідним чином розрізається і монтується між двома металевими пластинами, як показано на малюнку 1а, чиє електричне еквівалентне представлення показано на малюнку 1б. Насправді, кристал поводиться як серійна RLC схема, утворена компонентами
Низькоопорний резистор RS
Високоопорний індуктор LS
Малий конденсатор CS
які будуть паралельно з емпітністю їхніх електродів Cp.
Завдяки наявності Cp, кристал буде резонувати на двох різних частотах, а саме,
Серійна резонансна частота, fs яка відбувається, коли серійна ємність CS резонує з серійною індуктивністю LS. На цьому етапі опір кристалу буде найменшим, і тому величина зворотного зв'язку буде найбільшою. Математичний вираз для цього поданий як
Паралельна резонансна частота, fp яка проявляється, коли реактивний опір LSCS дорівнює реактивному опору паралельного конденсатора Cp тобто, LS та CS резонують з Cp. На цьому етапі опір кристалу буде найвищим, і тому величина зворотного зв'язку буде найменшою. Математично це можна виразити як
Поведінка конденсатора буде ємнісною як нижче fS так і вище fp. Однак для частот, які знаходяться між fS та fp, поведінка кристалу буде індуктивною. Коли ж частота дорівнює паралельній резонансній частоті fp, взаємодія між LS та Cp утворить паралельну LC контур. Тому кристал можна розглядати як комбінацію серійно та паралельно настроїних резонансних контурів, через що потрібно налаштовувати контур для однієї з них. Крім того, слід зазначити, що fp буде вище fs, а близькість між ними буде визначатися розкрою та розмірами використовуваного кристалу.
Кристалові генератори можна спроектувати, підключаючи кристал до контуру таким чином, щоб він надавав низький опір при роботі в серійно-резонансному режимі (малюнок 2а) і високий опір при роботі в антирезонансному або паралельно-резонансному режимі (малюнок 2б).
У показаних контурах резистори R1 та R2 формують розподілювальний контур напруги, а емітерний резистор RE стабілізує контур. Крім того, CE (малюнок 2а) виступає як обхідний конденсатор постійного струму, а з'єднуючий конденсатор CC (малюнок 2а) використовується для блокування поширення DC сигналу між колектором та базовим терміналом.
Далі, конденсатори C1 та C2 формують розподілювальний контур напруги на конденсатори випадку 2б. Додатково, у контурах (обидва на малюнках 2а та 2б) є радіочастотна катушка (RFC), яка надає подвійну перевагу, оскільки забезпечує не тільки DC зміщення, але й звільнює вихід контуру від впливу AC сигналу на лініях живлення.
При живленні генератора, амплітуда коливань у контурі зростає до моменту, коли нелінійності в підсилювачі зменшують коефіцієнт підсилення контуру до одиниці.
Далі, досягнувши стаціонарного стану, кристал у зворотному зв'язку сильно впливає на частоту роботи контуру. Більше того, тут частота самостійно налаштується, щоб допомогти кристалу представити реактивний опір контуру, щоб виконати вимогу фази Баркгаузена.
Зазвичай, частота кристалових генераторів буде фіксована на основній або характеристичній частоті кристалу, яка визначається фізичними розмірами та формою кристалу.
Однак, якщо кристал не паралельний або має нерівномірну товщину, то він може резонувати на кількох частотах, що призводить до гармонік.
Крім того, кристалові генератори можна налаштувати на парну або непарну гармоніку основної частоти, які називаються Гармонічними та Надтоновими генераторами, відповідно.
Прикладом цього є випадок, коли паралельна резонансна частота кристалу зменшується або збільшується шляхом додавання конденсатора або індуктора поперек кристалу, відповідно.
Типовий діапазон роботи кристалових генераторів становить від 40 кГц до 100 МГц, де низькочастотні генератори проектуються з використанням Операційних підсилювачів, а високочастотні — з використанням транзисторів (BJTs або FETs).
Частота коливань, генерованих контуром, визначається серійною резонансною частотою кристалу і не залежить від варіацій напруги живлення, параметрів транзистора тощо. В результаті, кристалові генератори демонструють високий Q-фактор з відмінною стабільністю частоти, що робить їх найбільш прийнятними для високочастотних застосувань.
Проте, слід бути обережним, щоб водити кристал з оптимальною потужністю. Це тому, що, якщо занадто багато потужності передається до кристалу, то можуть бути вбудовані параз
