Кварцов кристален осцилатор

В предишните ни уроци за RC Phase Shift Oscillator и Wein Bridge Oscillator получаваме справедлива представа за това какво е осцилатор. Осцилаторът е механична или електронна конструкция, която произвежда трептения в зависимост от няколко променливи. А правилното добър осцилатор произвежда стабилна честота.

В случай на RC (Resistor-Capacitor) или RLC (Resistor-Inductor-Capacitor) осцилатори, те не са добър избор, когато са необходими стабилни и точни трептения. Температурните промени влияят върху товара и захранващата линия, което от своя страна влияе върху стабилността на веригата на осцилатора. Стабилността може да се подобри до определено ниво в случай на RC и RLC верига, но все пак подобрението не е достатъчно в конкретни случаи.

В такава ситуация се използва кварцов кристал. Кварцът е минерал, съставен от силициеви и кислородни атоми. Той реагира, когато източник на напрежение, приложен към кварцов кристал. Той произвежда характеристика, идентифицирана като пиезоелектричен ефект. Когато през него се приложи източник на напрежение, той ще промени формата и ще произведе механични сили, а механичните сили се върнат обратно и ще произведат електрически заряд.

Тъй като преобразува електрическата енергия в механична и механичната в електрическа, тя се нарича преобразуватели. Тези промени произвеждат много стабилни вибрации и тъй като пиезоелектричният ефект произвежда стабилните трептения.

Кварцов кристал и неговата еквивалентна схема

Това е символът на Crystal Oscillator. Кварцовият кристал е направен от тънко парче кварцови пластини, плътно монтирани и контролирани между две паралелни метализирани повърхности. Метализираните повърхности са направени за електрически връзки, а физическият размер и плътността на кварца също се контролират плътно, тъй като промените във формата и размера влияят пряко върху честотата на трептене. След като бъде оформен и контролиран, произведената честота е фиксирана, основната честота не може да бъде променена на други честоти. Тази специфична честота за конкретния кристал се нарича характеристична честота.

В горното изображение лявата верига представлява еквивалентната схема на кварцов кристал, показана в дясната страна. Както виждаме, се използват 4 пасивни компонента, два кондензатора C1 и C2 и един индуктор L1, резистор R1. C1, L1, R1 е свързан последователно, а C2 - паралелно.

Последователната верига, която се състои от един кондензатор, един резистор и един индуктор, символизира контролираното поведение и стабилните операции на кристала и паралелния кондензатор, C2 представлява паралелния капацитет на веригата или еквивалентния кристал.

При работна честота C1 резонира с индуктивността L1. Тази работна честота се нарича серийна честота на кристалите (fs). Поради тази серийна честота вторична честотна точка се разпознава с паралелния резонанс. L1 и C1 също резонират с паралелния кондензатор C2. Паралелният кондензатор C2 често се описва като името на C0 и се нарича Shunt Capacitance of a Quartz Crystal.

Изходен импеданс на кристала спрямо честотата

Ако приложим формула на реактивно съпротивление към два кондензатора, тогава, за серийния кондензатор C1, капацитивната реактивност ще бъде:

X _C1 = 1 / 2πfC ₁

Където, F = Честота и C1 = стойност на серийния капацитет.

Същата формула се прилага и за паралелния кондензатор, капацитивното съпротивление на паралелния кондензатор ще бъде:

X _C2 = 1 / 2πfC ₂

Ако видим графика на връзката между изходния импеданс и честотата, ще видим промените в импеданса.

В горното изображение виждаме кривата на импеданса на кристалния осцилатор и също така виждаме това как този наклон се променя при промяна на честотата. Има две точки, едната е серийна резонансна честотна точка, а другата е паралелна резонансна честотна точка.

В серийната резонансна честотна точка импедансът е станал минимален. Серийният кондензатор C1 и серийният индуктор L1 създават сериен резонанс, който е равен на сериен резистор.

И така, при тази серийна резонансна честотна точка ще се случат следните неща: -

1. Импедансът е минимален в сравнение с други честотни времена.
2. Импедансът е равен на серийния резистор.
3. Под тази точка кристалът действа като капацитивна форма.

След това честотата се променя и наклонът бавно се увеличава до максималната точка при паралелна резонансна честота, по това време, преди да достигне паралелната резонансна честотна точка, кристалът действа като последователен индуктор.

След достигане на паралелната честотна точка наклонът на импеданса достига максимална стойност. Паралелният кондензатор C2 и серийният индуктор създават LC верига на резервоара и по този начин изходният импеданс става висок.

По този начин кристалът се държи като индуктор или като кондензатор в серия и паралелен резонанс. Кристалът може да работи и в двете резонансни честоти, но не едновременно. Необходимо е да се настроите на всеки конкретен, за да работите.

Кристална реактивност спрямо честотата

Последователното реактивно съпротивление на веригата може да бъде измерено по тази формула:

X _S = R2 + (XL ₁ - XC ₁) ²

Където R е стойността на съпротивлението

Xl1 е серийната индуктивност на веригата

Xc1 е серийният капацитет на веригата.

Паралелно капацитивно съпротивление на веригата ще бъде: -

X _CP = -1 / 2πfCp

Паралелното съпротивление на веригата ще бъде:

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

Ако видим графиката, тя ще изглежда така: -

Както можем да видим в горната графика, че серийното съпротивление в точката на серийния резонанс е обратно пропорционално на C1, в точката от fs до fp кристалът действа като индуктивен, тъй като в този момент два паралелни капацитета стават незначителни.

От друга страна, кристалът ще бъде в капацитивна форма, когато честотата е извън fs и fp точките.

Можем да изчислим серийната резонансна честота и паралелната резонансна честота, като използваме тези две формули -

Q фактор за кварцов кристал:

Q е кратката форма на Качество. Това е важен аспект на кварцовия кристален резонанс. Този Q фактор определя стабилността на честотата на Crystal. Като цяло, Q факторът на кристала има диапазон от 20 000 до повече от 100 000. Понякога Q факторът на кристала е повече от 200 000, който също може да се наблюдава.

Q коефициентът на кристал може да бъде изчислен чрез следната формула -

Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R

Където X _L е реактивно съпротивление на индуктора, а R е съпротивлението.

Пример за кварцов кристален осцилатор с изчисление

Ще изчислим резонансна честота на серия кристали от кварц, паралелна резонансна честота и коефициент на качество на кристала, когато са налични следните точки -

R1 = 6.8R

C1 = 0.09970pF

L1 = 3mH

И C2 = 30pF

Серийната резонансна честота на кристала е -

Паралелната резонансна честота на кристала, fp е -

Сега можем да разберем, че серийната резонансна честота е 9,20 MHz, а паралелната резонансна честота е 9,23 MHz

На фактор Q на този кристал ще да бъде:

Кристален осцилатор на Colpitts

Кристален осцилатор конструира при използване на биполярен транзистор или различни видове FETs. В горното изображение е показан генератор на колпитс; на капацитивен делителя на напрежение се използва за обратна връзка. Транзисторът Q1 е в обща конфигурация на емитер. В горната верига R1 и R2 се използват за отклонение на транзистора, а C1 се използва като байпасен кондензатор, който предпазва основата от RF шумове.

В тази конфигурация кристалът ще действа като шунт поради връзката от колектора към земята . Той е в паралелна резонансна конфигурация. За обратна връзка се използва кондензатор C2 и C3. Кристалът Q2 е свързан като паралелна резонансна верига.

Изходното усилване е ниско в тази конфигурация, за да се избегне излишното разсейване на мощността в кристала.

Кристален осцилатор Pierce

Друга конфигурация, използвана в кварцов кристален осцилатор, където транзисторът се променя на JFET за усилване, където JFET е с много високи входни импеданси, когато кристалът е свързан в Drain to Gate с помощта на кондензатор.

В горното изображение е показана схема на Pierce Crystal Oscillator. C4 осигурява необходимата обратна връзка в тази осцилаторна верига. Тази обратна връзка е положителна обратна връзка, която представлява 180 градусово изместване на фазата при резонансната честота. R3 контролира обратната връзка и кристалът осигурява необходимото трептене.

Кристалният генератор Pierce се нуждае от минимален брой компоненти и поради това е предпочитан избор, когато пространството е ограничено. Цифровият часовник, таймерите и различните видове часовници използват верига на пронизващ кристал. Изходната амплитуда на синусоидалната вълна до пикова стойност е ограничена от обхвата на напрежението JFET.

CMOS осцилатор

Основен осцилатор, който използва паралелно-резонансна кристална конфигурация, може да бъде направен с помощта на CMOS инвертор. Инверторът CMOS може да се използва за постигане на необходимата амплитуда. Състои се от обръщане на спусъка на Schmitt като 4049, 40106 или транзисторно-транзисторна логика (TTL) чип 74HC19 и т.н.

В горното изображение се използва 74HC19N, който действа като спусък на Шмит в инвертираща конфигурация. Кристалът ще осигури необходимото трептене в серийната резонансна честота. R1 е резисторът за обратна връзка за CMOS и осигурява висок Q фактор с високи възможности за усилване. Вторият 74HC19N е бустер, за да осигури достатъчна мощност за товара.

Инверторът работи при изход на фазово изместване от 180 градуса, а Q1, C2, C1 осигуряват допълнително фазово изместване на 180 градуса. По време на процеса на трептене фазовото изместване винаги остава 360 градуса.

Този CMOS кристален осцилатор осигурява изход с квадратна вълна. Максималната изходна честота се определя от превключващата характеристика на инвертора CMOS. Изходната честота може да се променя, като се използват стойностите на кондензаторите и стойността на резистора. C1 и C2 трябва да бъдат еднакви по стойности.

Предоставяне на часовник на микропроцесор с помощта на кристали

Тъй като различното използване на кварцов кристален осцилатор включва цифрови часовници, таймери и т.н., това също е подходящ избор за осигуряване на стабилен часовник на трептене в микропроцесора и процесорите.

Микропроцесорът и процесорът се нуждаят от стабилен часовник за работа. Кварцовият кристал е широко използван за тези цели. Кварцовият кристал осигурява висока точност и стабилност в сравнение с други RC или LC или RLC осцилатори.

Като цяло тактовата честота се използва за микроконтролер или CPU варира от KHz до Mhz. Тази тактова честота определя колко бързо процесорът може да обработва данни.

За да се постигне тази честота, се използва сериен кристал, използван с две кондензаторни мрежи със същата стойност, през осцилаторния вход на съответния MCU или CPU.

На това изображение можем да видим, че кристал с два кондензатора образува мрежа и свързан през микроконтролерен блок или централен процесор чрез входния щифт OSC1 и OSC2. По принцип всички микроконтролери или процесори се състоят от този два щифта. В някои случаи има два вида OSC щифтове. Едната е за първичен генератор за генериране на часовника, а другата за вторичния генератор, който се използва за други вторични работи, където е необходима вторична тактова честота. Стойността на кондензатора варира от 10pF до 42 pF, всичко между 15pF, 22pF, 33pF се използва широко.