Quartz krystaloscillator

I vores tidligere RC Phase Shift Oscillator og Wein Bridge Oscillator tutorials får vi en god idé om, hvad der er en Oscillator. En oscillator er en mekanisk eller elektronisk konstruktion, der producerer oscillation afhængigt af få variabler. En ordentlig god oscillator producerer stabil frekvens.

I tilfælde af RC (Resistor-Capacitor) eller RLC (Resistor-Inductor-Capacitor) Oscillatorer er de ikke et godt valg, hvor der er behov for stabile og nøjagtige svingninger. Temperaturændringerne påvirker belastnings- og strømforsyningsledningen, hvilket igen påvirker stabiliteten af oscillatorkredsløbet. Stabiliteten kan forbedres til et bestemt niveau i tilfælde af RC- og RLC-kredsløb, men stadig er forbedringen ikke tilstrækkelig i specifikke tilfælde.

I en sådan situation anvendes kvartskrystal. Kvarts er mineral sammensat af silicium og iltatomer. Det reagerer, når en spændingskilde påføres kvartskrystal. Det producerer en egenskab, identificeret som Piezo-elektrisk effekt. Når spændingskilde anvendes over den, vil den ændre form og producere mekaniske kræfter, og de mekaniske kræfter vender tilbage og producerer elektrisk ladning.

Da det omdanner energi elektrisk til mekanisk og mekanisk til elektrisk, kaldes det transducere. Disse ændringer producerer meget stabil vibration, og som en Piezo-elektrisk effekt producerer de stabile svingninger.

Quartz Crystal og dets ækvivalente kredsløb

Dette er symbolet på Crystal Oscillator. Kvartskrystallen er lavet af et tyndt stykke kvartsskive tæt monteret og styret mellem to parallelle metaloverflader. De metaliserede overflader er lavet til elektriske forbindelser, og kvartsets fysiske størrelse og tæthed styres også tæt, da ændringer i form og størrelse direkte påvirker svingningsfrekvensen. Når den først er formet og kontrolleret, er den producerede frekvens fast, den grundlæggende frekvens kan ikke ændres til andre frekvenser. Denne specifikke frekvens for den specifikke krystal kaldes karakteristisk frekvens.

I det øverste billede repræsenterer venstre kredsløb det ækvivalente kredsløb af kvartskrystal, vist i højre side. Som vi kan se, anvendes 4 passive komponenter, to kondensatorer C1 og C2 og en induktor L1, modstand R1. C1, L1, R1 er forbundet i serie og C2 er forbundet parallelt.

Seriekredsløbet, som består af en kondensator, en modstand og en induktor, symboliserer den kontrollerede opførsel og stabile operationer af Crystal og den parallelle kondensator, C2 repræsenterer kredsløbets parallelle kapacitans eller den tilsvarende krystal.

Ved driftsfrekvensen resonerer C1 med induktansen L1. Denne driftsfrekvens benævnes krystalseriefrekvens (fs). På grund af denne seriefrekvens genkendes et sekundært frekvenspunkt med den parallelle resonans. L1 og C1 resonerer også med den parallelle kondensator C2. Den parallelle kondensator C2 beskriver ofte som navnet på C0 og kaldes Shunt Capacitance of a Quartz Crystal.

Impedans mod krystaludgang mod frekvens

Hvis vi anvender reaktansformel på tværs af to kondensatorer, vil den kapacitive reaktans for seriekondensatoren C1 være: -

X _C1 = 1 / 2πfC ₁

Hvor, F = Frekvens og C1 = værdi af seriekapacitansen.

Den samme formel gælder også for den parallelle kondensator, den parallelle kondensatorens kapacitive reaktans vil være: -

X _C2 = 1 / 2πfC ₂

Hvis vi ser forholdsgrafen imellem Outputimpedans vs Frekvens, ser vi ændringer i impedans.

På det øverste billede ser vi krystaloscillatorens impedanskurve og ser også, hvordan denne hældning ændres, når frekvensen ændres. Der er to punkter, det ene er serieresonansfrekvenspunkt, og det andet er parallelresonansfrekvenspunkt.

Ved serieresonansfrekvenspunktet blev impedansen minimum. Seriekondensatoren C1 og serien Induktor L1 skaber en serieresonans, der er lig med seriemodstanden.

Så på dette serieresonante frekvenspunkt vil følgende ting ske: -

Impedansen er minimum sammenlignet i andre frekvens tider.
Impedans er lig med seriemodstanden.
Under dette punkt fungerer krystallen som en kapacitiv form.

Derefter ændres frekvensen, og hældningen øges langsomt til det maksimale punkt ved parallel resonansfrekvens, på dette tidspunkt, inden det parallelle resonansfrekvenspunkt når krystallet som en serieinduktor.

Efter at have nået det parallelle frekvenspunkt når impedanshældningen maksimum i værdi. Den parallelle kondensator C2 og serieinduktoren skaber et LC-tankkredsløb, og dermed blev outputimpedansen høj.

Dette er, hvordan krystallen opfører sig som induktor eller som en kondensator i serie og parallel resonans. Crystal kan fungere i begge disse resonansfrekvenser, men ikke på samme tid. Det er nødvendigt at være indstillet på en hvilken som helst specifik at operere.

Krystalreaktans mod frekvens

Den serie reaktans af kredsløbet kan måles ved hjælp af denne formel: -

X _S = R2 + (XL ₁ - XC ₁) ²

Hvor, R er værdien af modstand

Xl1 er serieinduktansen for kredsløbet

Xc1 er kredsløbets seriekapacitans.

Parallel kapacitiv reaktans af kredsløbet vil være: -

X _CP = -1 / 2πfCp

Den parallelle reaktans af kredsløbet vil være: -

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

Hvis vi ser grafen, vil den se sådan ud: -

Som vi kan se i den øverste graf, at seriereaktansen ved serieresonanspunktet er omvendt proportional med C1, fungerer krystallet på det punkt fra fs til fp som induktivt, fordi to parallelle kapacitanser på dette tidspunkt bliver ubetydelige.

På den anden side vil krystallen have kapacitiv form, når frekvensen er uden for fs- og fp-punkterne.

Vi kan beregne serieresonansfrekvensen og parallelresonansfrekvensen ved hjælp af disse to formler -

Q-faktor til kvartskrystal:

Q er den korte form for kvalitet. Det er et vigtigt aspekt af kvartskrystalresonans. Denne Q-faktor bestemmer Crystal's frekvensstabilitet. Generelt har en krystal Q-faktor et interval fra 20.000 til mere end 100.000. Nogle gange er Q-faktor for en krystal mere end 200.000 også observerbar.

Q-faktor for en krystal kan beregnes ved hjælp af følgende formel -

Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R.

Hvor X _L er induktorreaktans, og R er modstand.

Eksempel på kvartskrystaloscillator med beregning

Vi beregner en kvarts krystaller serie resonansfrekvens, parallel resonansfrekvens og kvalitetsfaktoren for krystallen, når følgende punkter er tilgængelige-

R1 = 6,8R

C1 = 0,09970pF

L1 = 3mH

Og C2 = 30pF

Serieresonansfrekvens for krystallen er -

Crystal's parallelle resonansfrekvens, fp er -

Nu kan vi forstå, at serieresonansfrekvensen er 9,20 MHz, og den parallelle resonansfrekvens er 9,23 MHz

Den Q-faktoren af denne krystal vil være-

Colpitts krystaloscillator

Krystaloscillatorkredsløb konstrueret ved hjælp af bipolar transistor eller forskellige typer FET'er. I det øverste billede vises en colpittsoscillator; den kapacitive spændingsdeler bruges til feedback. Transistoren Q1 er i fælles emitterkonfiguration. I det øverste kredsløb bruges R1 og R2 til forspænding af transistoren, og C1 bruges som bypass-kondensator, der beskytter basen mod RF-støj.

I denne konfiguration fungerer krystal som en shunt på grund af forbindelsen fra samler til jord . Det er i parallel resonanskonfiguration. Kondensator C2 og C3 bruges til feedback. Krystal Q2 er forbundet som parallel resonanskredsløb.

Udgangsforstærkningen er lav i denne konfiguration for at undgå overskydende strømafledning i krystallen.

Pierce Crystal Oscillator

En anden konfiguration, der anvendes i kvartskrystaloscillator, hvor transistoren ændres til en JFET til forstærkning, hvor JFET er i meget høje inputimpedanser, når krystallen er forbundet i afløb til port ved hjælp af en kondensator.

På det øverste billede vises et Pierce Crystal Oscillator kredsløb. C4 giver den nødvendige feedback i dette oscillatorkredsløb. Denne feedback er positiv feedback, som er 180 graders faseskift ved resonansfrekvensen. R3 styrer feedbacken, og krystallen giver den nødvendige svingning.

Pierce crystal oscillator har brug for et minimum af antal komponenter, og på grund af dette er det et foretrukket valg, hvor pladsen er begrænset. Digitalt ur, timere og forskellige typer ure bruger gennemboret krystaloscillatorkredsløb. Output sinusbølgens amplitude peak til peak-værdi er begrænset af JFET-spændingsområdet.

CMOS oscillator

En grundlæggende oscillator, der bruger parallel-resonanskrystallkonfiguration, kan fremstilles ved hjælp af CMOS-inverter. CMOS-inverteren kan bruges til at opnå den krævede amplitude. Den består af inverterende Schmitt-trigger som 4049, 40106 eller Transistor-Transistor logic (TTL) chip 74HC19 osv.

I det øverste billede anvendte 74HC19N, der fungerer som en Schmitt-trigger i inverterende konfiguration. Krystallen giver den nødvendige svingning i serieresonansfrekvens. R1 er feedback-modstanden for CMOS og giver høj Q-faktor med høj forstærkningsfunktioner. Den anden 74HC19N er booster til at give tilstrækkelig ydelse til belastningen.

Inverteren fungerer ved 180 graders faseforskydningsoutput, og Q1, C2, C1 giver yderligere 180 graders faseforskydning. Under svingningsprocessen forbliver faseforskydningen altid 360 grader.

Denne CMOS-krystaloscillator giver output med firkantbølger. Den maksimale udgangsfrekvens er fastlagt ved CMOS-omformerens koblingskarakteristik. Udgangsfrekvensen kan ændres ved hjælp af kondensatorværdien og modstandsværdien. C1 og C2 skal have de samme værdier.

Tilvejebringelse af ur til mikroprocessoren ved hjælp af krystaller

Da forskellige anvendelser af kvartskrystaloscillator inkluderer digitale ure, timere osv., Er det også et passende valg til at levere stabilt svingningsur på tværs af mikroprocessor og CPU'er.

Mikroprocessor og CPU har brug for stabilt urindgang til drift. Kvartskrystal bruges i vid udstrækning til disse formål. Kvartskrystal giver høj nøjagtighed og stabilitet sammenlignet med andre RC- eller LC- eller RLC-oscillatorer.

Generelt anvendes urfrekvensen til mikrocontroller, eller CPU varierer fra KHz til MHz. Denne urfrekvens bestemmer, hvor hurtigt processoren kan behandle data.

For at opnå denne frekvens anvendes en seriekrystal, der anvendes med to samme værdi-kondensatornetværk på tværs af oscillatorindgangen på den respektive MCU eller CPU.

I dette billede kan vi se, at en Crystal med to kondensatorer danner et netværk og er forbundet på tværs af Microcontroller-enhed eller centralbehandlingsenhed via OSC1 og OSC2-indgangsstift. Generelt består alle mikrokontroller eller processorer af denne to ben. I nogle tilfælde er der to typer OSC-ben tilgængelige. Den ene er til primæroscillator til generering af uret og anden til sekundæroscillator, der bruges til andre sekundære værker, hvor sekundær urfrekvens er nødvendig. Kondensatorværdien varierer fra 10pF til 42 pF, alt imellem men 15pF, 22pF, 33pF bruges bredt.