Động cơ Tinh thể: Mạch điện, Tần số & Nguyên lý hoạt động
Oscilator tinh thể hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng piezoelectric ngược, trong đó một điện áp xoay chiều được áp dụng lên bề mặt của tinh thể khiến nó rung với tần số tự nhiên của mình. Đó là những dao động này cuối cùng được chuyển đổi thành dao động.
Những oscilator này thường được làm từ tinh thể thạch anh, mặc dù các chất khác như muối Rochelle và Tourmaline cũng có hiệu ứng piezoelectric, nhưng thạch anh rẻ hơn, dễ dàng tìm thấy và cơ học mạnh mẽ hơn so với các chất khác.
Trong oscilator tinh thể, tinh thể được cắt và gắn giữa hai tấm kim loại như được hiển thị bởi Hình 1a, và phần tương đương điện được hiển thị bởi Hình 1b. Thực tế, tinh thể hành xử như một mạch RLC nối tiếp, được tạo thành bởi các thành phần
Một điện trở giá trị thấp RS
Một cuộn cảm giá trị lớn LS
Một tụ điện giá trị nhỏ CS
sẽ song song với điện dung của các điện cực Cp.
Do sự hiện diện của Cp, tinh thể sẽ cộng hưởng ở hai tần số khác nhau, cụ thể là,
Tần số Cộng hưởng Nối tiếp, fs xảy ra khi điện dung nối tiếp CS cộng hưởng với cuộn cảm nối tiếp LS. Tại giai đoạn này, trở kháng của tinh thể sẽ ít nhất và do đó lượng phản hồi sẽ lớn nhất. Biểu thức toán học cho điều này được đưa ra là
Tần số Cộng hưởng Song song, fp được biểu hiện khi độ nhạy cảm của LSCS bằng độ nhạy cảm của tụ điện song song Cp tức là LS và CS cộng hưởng với Cp. Tại thời điểm này, trở kháng của tinh thể sẽ cao nhất và do đó phản hồi sẽ ít nhất. Toán học nó có thể được đưa ra là
Hành vi của tụ điện sẽ là dung điện cả dưới fS và trên fp. Tuy nhiên, đối với các tần số nằm giữa fS và fp, hành vi của tinh thể sẽ là cảm ứng. Hơn nữa, khi tần số bằng tần số cộng hưởng song song fp, thì sự tương tác giữa LS và Cp sẽ tạo thành mạch LC song song. Do đó, tinh thể có thể được xem như một kết hợp của các mạch cộng hưởng nối tiếp và song song, do đó cần phải điều chỉnh mạch cho một trong hai. Hơn nữa, cần lưu ý rằng fp sẽ cao hơn fs và khoảng cách giữa hai tần số này sẽ được quyết định bởi cách cắt và kích thước của tinh thể đang sử dụng.
Oscilator tinh thể có thể được thiết kế bằng cách kết nối tinh thể vào mạch sao cho nó cung cấp trở kháng thấp khi hoạt động ở chế độ cộng hưởng nối tiếp (Hình 2a) và trở kháng cao khi hoạt động ở chế độ chống cộng hưởng hoặc cộng hưởng song song (Hình 2b).
Trong các mạch được hiển thị, các điện trở R1 và R2 tạo thành mạng phân chia điện áp trong khi điện trở phát RE ổn định mạch. Ngoài ra, CE (Hình 2a) hoạt động như tụ điện bypass AC trong khi tụ điện ghép CC (Hình 2a) được sử dụng để chặn sự truyền tín hiệu DC giữa các đầu thu và cơ sở.
Tiếp theo, các tụ điện C1 và C2 tạo thành mạng phân chia điện áp tụ điện trong trường hợp Hình 2b. Ngoài ra, còn có một Cuộn cảm Tần số Radio (RFC) trong các mạch (cả trong Hình 2a và 2b) cung cấp lợi ích kép vì nó cung cấp cả nguồn DC cũng như giải phóng mạch ra khỏi tín hiệu AC trên đường dây điện.
Khi cung cấp điện cho oscilator, biên độ của các dao động trong mạch tăng lên cho đến khi đạt đến một điểm mà các tính phi tuyến trong bộ khuếch đại giảm hệ số khuếch đại vòng lặp xuống mức 1.
Tiếp theo, khi đạt đến trạng thái ổn định, tinh thể trong vòng phản hồi ảnh hưởng mạnh mẽ đến tần số của mạch hoạt động. Hơn nữa, ở đây, tần số sẽ tự điều chỉnh để giúp tinh thể tạo ra một độ nhạy cảm cho mạch sao cho yêu cầu pha Barkhausen được đáp ứng.
Nói chung, tần số của oscilator tinh thể sẽ được cố định là tần số cơ bản hoặc đặc trưng của tinh thể, được quyết định bởi kích thước và hình dạng vật lý của tinh thể.
Tuy nhiên, nếu tinh thể không song song hoặc có độ dày không đều, thì nó có thể cộng hưởng ở nhiều tần số, dẫn đến các谐波。
继续翻译：
然而，如果晶体不平行或厚度不均匀，则它可能会在多个频率上共振，从而产生谐波。 此外，晶体振荡器可以调谐到基频的偶数或奇数谐波，分别称为谐波振荡器和泛音振荡器。
一个例子是通过在晶体两端并联一个电容或电感来降低或增加晶体的并联共振频率。 晶体振荡器的典型工作范围是从40 kHz到100 MHz，其中低频振荡器使用运算放大器设计，而高频振荡器则使用晶体管（BJTs或FETs）设计。 电路产生的振荡频率由晶体的串联谐振频率决定，并且不受电源电压、晶体管参数等变化的影响。因此，晶体振荡器表现出高Q因子和出色的频率稳定性，使其非常适合高频应用。
然而，需要注意的是，应仅以最佳功率驱动晶体。这是因为，如果向晶体输送过多的功率，可能会激发晶体中的寄生共振，导致共振频率不稳定。 此外，其输出波形也可能因相位噪声性能下降而失真。甚至可能导致设备（晶体）因过热而损坏。
晶体振荡器体积小、成本低，因此广泛应用于电子战系统、通信系统、制导系统、微处理器、微控制器、空间跟踪系统、测量仪器、医疗设备、计算机、数字系统、仪表、锁相环系统、调制解调器、传感器、磁盘驱动器、海洋系统、电信、发动机控制系统、时钟、全球定位系统（GPS）、有线电视系统、摄像机、玩具、视频游戏、无线电系统、手机、定时器等。 声明：尊重原创，好文章值得分享，如有侵权请联系删除。 Tuy nhiên, nếu tinh thể không song song hoặc có độ dày không đều, thì nó có thể cộng hưởng ở nhiều tần số, dẫn đến các sóng hài. Ngoài ra, oscilator tinh thể có thể được điều chỉnh để hoạt động ở sóng hài chẵn hoặc lẻ của tần số cơ bản, được gọi là Oscilator Sóng hài và Oscilator Phản âm, tương ứng.
Một ví dụ về điều này là trường hợp tần số cộng hưởng song song của tinh thể được giảm hoặc tăng bằng cách thêm một tụ điện hoặc cuộn cảm vào tinh thể, tương ứng. Phạm vi hoạt động điển hình của oscilator tinh thể là từ 40 KHz đến 100 MHz, trong đó các oscilator tần số thấp được thiết kế sử dụng OpAmps, trong khi các oscilator tần số cao được thiết kế sử dụng các transistor (BJTs hoặc FETs). Tần số dao động được tạo ra bởi mạch được quyết định bởi tần số cộng hưởng nối tiếp của tinh thể và sẽ không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của điện áp nguồn, các thông số của transistor, v.v. Kết quả là, oscilator tinh thể thể hiện hệ số Q cao với độ ổn định tần số xuất sắc, khiến chúng rất phù hợp cho các ứng dụng tần số cao.
Tuy nhiên, cần chú ý chỉ nên điều khiển tinh thể với công suất tối ưu. Điều này là vì, nếu cung cấp quá nhiều công suất cho tinh thể, thì các cộng hưởng phụ có thể được kích thích trong tinh thể, dẫn đến tần số cộng hưởng không ổn định.
