Oscilator cu cristale de cuarț

În tutorialele noastre anterioare RC Phase Shift Oscillator și Wein Bridge Oscillator, avem o idee corectă despre ce este un oscilator. Un oscilator este o construcție mecanică sau electronică care produce oscilație în funcție de puține variabile. Un oscilator adecvat produce o frecvență stabilă.

În cazul oscilatoarelor RC (Rezistor-Condensator) sau RLC (Resistor-Inductor-Capacitor), acestea nu sunt o alegere bună unde sunt necesare oscilații stabile și precise. Schimbările de temperatură afectează sarcina și linia de alimentare, care la rândul său afectează stabilitatea circuitului oscilatorului. Stabilitatea poate fi îmbunătățită la un anumit nivel în cazul circuitelor RC și RLC, dar totuși îmbunătățirea nu este suficientă în cazuri specifice.

Într-o astfel de situație se folosește cristalul de cuarț. Cuarțul este un mineral compus din atomi de siliciu și oxigen. Reacționează atunci când o sursă de tensiune aplicată cristalului de cuarț. Produce o caracteristică, identificată ca efect piezo-electric. Când sursa de tensiune este aplicată peste aceasta, aceasta își va schimba forma și va produce forțe mecanice, iar forțele mecanice revin înapoi și vor produce sarcină electrică.

Deoarece transformă energia electrică în mecanică și mecanică în electrică, este denumită Transductori. Aceste modificări produc vibrații foarte stabile și, ca efect piezo-electric, produce oscilații stabile.

Cristal de cuarț și circuitul său echivalent

Acesta este simbolul oscilatorului de cristal. Cristalul de cuarț este realizat dintr-o bucată subțire de napolitane de cuarț bine fixate și controlate între două suprafețe metalizate paralele. Suprafețele metalizate sunt realizate pentru conexiuni electrice, iar dimensiunea fizică și densitatea cuarțului, de asemenea, grosimea este strâns controlată, deoarece schimbările de formă și dimensiune au efect direct în frecvența de oscilație. Odată ce este modelată și controlată, frecvența produsă este fixă, frecvența fundamentală nu poate fi schimbată în alte frecvențe. Această frecvență specifică pentru cristalul specific se numește frecvență caracteristică.

În imaginea de sus, circuitul din stânga reprezintă circuitul echivalent al cristalului de cuarț, prezentat în partea dreaptă. După cum putem vedea, sunt utilizate 4 componente pasive, două condensatoare C1 și C2 și un inductor L1, rezistor R1. C1, L1, R1 este conectat în serie, iar C2 conectat în paralel.

Circuitul de serie care constă într-un condensator, un rezistor și un inductor, simbolizează comportamentul controlat și operațiile stabile ale cristalului și condensatorului paralel, C2 reprezintă capacitatea paralelă a circuitului sau cristalul echivalent.

La frecvența de funcționare, C1 rezonează cu inductanța L1. Această frecvență de funcționare este denumită frecvență de serie a cristalelor (fs). Datorită acestei frecvențe de serie, un punct de frecvență secundar recunoscut cu rezonanță paralelă. L1 și C1 rezonează, de asemenea, cu condensatorul paralel C2. Condensatorul paralel C2 este adesea descris ca numele lui C0 și numit capacitatea de șunt a unui cristal de cuarț.

Impedanță de ieșire a cristalului împotriva frecvenței

Dacă aplicăm formula de reactanță pe doi condensatori, atunci, pentru condensatorul de serie C1, reactanța capacitivă va fi: -

X _C1 = 1 / 2πfC ₁

Unde, F = Frecvența și C1 = valoarea capacității seriei.

Aceeași formulă se aplică și condensatorului paralel, reactanța capacitivă a condensatorului paralel va fi: -

X _C2 = 1 / 2πfC ₂

Dacă vedem graficul relației între impedanță de ieșire vs frecvență, vom vedea modificările impedanței.

În imaginea superioară vedem curba de impedanță a oscilatorului de cristal și vedem, de asemenea, cum se schimbă această pantă atunci când se schimbă frecvența. Există două puncte, unul este un punct de frecvență rezonant în serie, iar celălalt este un punct de frecvență rezonant paralel.

La punctul de frecvență rezonant în serie, impedanța este minimă. Condensatorul de serie C1 și seria Inductor L1 creează o rezonanță de serie care este egală cu rezistența de serie.

Deci, la acest punct de frecvență rezonantă de serie, se vor întâmpla următoarele lucruri: -

1. Impedanța este minimă comparată în alte perioade de frecvență.
2. Impedanța este egală cu rezistența de serie.
3. Sub acest punct, cristalul acționează ca o formă capacitivă.

Apoi, frecvența se schimbă și panta crește încet până la punctul maxim la frecvența de rezonanță paralelă, în acest moment, înainte de a ajunge la punctul de frecvență de rezonanță paralelă, cristalul acționează ca un inductor de serie.

După atingerea punctului de frecvență paralel, panta de impedanță atinge valoarea maximă. Condensatorul paralel C2 și seria Inductor creează un circuit de rezervor LC și astfel impedanța de ieșire a devenit mare.

Acesta este modul în care cristalul se comportă ca inductor sau ca un condensator în serie și rezonanță paralelă. Cristalul poate funcționa în aceste frecvențe de rezonanță, dar nu în același timp. Trebuie să fie acordat la orice anume specific pentru a opera.

Reactanța cristalină împotriva frecvenței

Reactance serie a circuitului poate fi măsurată folosind această formulă: -

X _S = R2 + (XL ₁ - XC ₁) ²

Unde, R este valoarea rezistenței

Xl1 este inductanța de serie a circuitului

Xc1 este capacitatea de serie a circuitului.

Reactanța capacitivă paralelă a circuitului va fi: -

X _CP = -1 / 2πfCp

Reactanța paralelă a circuitului va fi: -

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

Dacă vedem graficul va arăta astfel: -

După cum putem vedea în graficul superior, reactanța seriei la punctul de rezonanță a seriei este invers proporțională cu C1, în punctul de la fs la fp cristalul acționează ca inductiv, deoarece în acest moment, două capacități paralele devin neglijabile.

Pe de altă parte, cristalul va fi în formă capacitivă atunci când frecvența este în afara punctelor fs și fp.

Putem calcula frecvența rezonantă de serie și frecvența rezonantă paralelă folosind aceste două formule -

Factorul Q pentru cristalul de cuarț:

Q este forma scurtă a Calității. Este un aspect important al rezonanței cristalelor de cuarț. Acest factor Q determină stabilitatea frecvenței lui Crystal. În general, factorul Q al unui cristal are o gamă cuprinsă între 20 000 și peste 100 000. Uneori, factorul Q al unui cristal este de asemenea observabil mai mult de 200.000.

Factorul Q al unui cristal poate fi calculat folosind următoarea formulă -

Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R

Unde, X _L este reactivitatea inductorului și R este rezistența.

Exemplu de oscilator cu cristale de cuarț cu calcul

Vom calcula o serie de cristale de cuarț frecvență rezonantă, frecvență rezonantă paralelă și factorul de calitate al cristalului atunci când sunt disponibile următoarele puncte-

R1 = 6,8R

C1 = 0,09970pF

L1 = 3mH

Și C2 = 30pF

Frecvența rezonantă de serie a cristalului este -

Frecvența rezonantă paralelă a lui Crystal, fp este -

Acum, putem înțelege că frecvența rezonantă în serie este de 9,20 MHz și frecvența rezonantă paralelă este de 9,23 MHz

Factorul Q al acestui cristal va fi-

Oscilator de cristal Colpitts

Circuit de oscilator de cristal construit folosind tranzistor bipolar sau diferite tipuri de FET-uri. În imaginea superioară, este afișat un oscilator colpitts; compas capacitiv de tensiune este folosit pentru feedback - ul. Tranzistorul Q1 este în configurația comună a emițătorului. În circuitul superior, R1 și R2 sunt utilizate pentru polarizarea tranzistorului, iar C1 este utilizat ca condensator de bypass care protejează baza de zgomote RF.

În această configurație, cristalul va acționa ca un șunt datorită conexiunii de la colector la masă . Este în configurație rezonantă paralelă. Condensatorul C2 și C3 este utilizat pentru feedback. Cristalul Q2 este conectat ca circuit rezonant paralel.

Amplificarea ieșirii este scăzută în această configurație pentru a evita disiparea excesivă a puterii în cristal.

Oscilatorul de cristal Pierce

O altă configurație utilizată în oscilatorul cu cristale de cuarț, unde tranzistorul este schimbat într-un JFET pentru amplificare în care JFET este în impedanțe de intrare foarte mari atunci când cristalul este conectat în canalul Drain to Gate folosind un condensator.

În imaginea superioară este prezentat un circuit Pierce Crystal Oscilator. C4 oferă feedback-ul necesar în acest circuit oscilator. Acest feedback este un feedback pozitiv, care este o schimbare de fază de 180 de grade la frecvența rezonantă. R3 controlează feedback-ul, iar cristalul oferă oscilația necesară.

Oscilatorul de cristal Pierce are nevoie de un număr minim de componente și, din această cauză, este o alegere preferabilă în cazul în care spațiul este limitat. Ceasul digital, temporizatoarele și diferitele tipuri de ceasuri utilizează circuitul oscilatorului cu cristal perforat. Valoarea de vârf la vârf a amplitudinii undei sinusoidale de ieșire este limitată de gama de tensiune JFET.

Oscilator CMOS

Un oscilator de bază care utilizează configurație de cristal paralel-rezonant poate fi realizat folosind invertorul CMOS. Invertorul CMOS poate fi utilizat pentru atingerea amplitudinii necesare. Constă în inversarea declanșatorului Schmitt, cum ar fi 4049, 40106 sau cip 74HC19 logică tranzistor-tranzistor (TTL) etc.

În imaginea superioară a fost folosit 74HC19N care acționează ca un declanșator Schmitt în configurația inversă. Cristalul va oferi oscilația necesară în frecvența de rezonanță în serie. R1 este rezistorul de feedback pentru CMOS și oferă factor Q ridicat cu capacități de câștig ridicate. Al doilea 74HC19N este un rapel pentru a oferi o putere suficientă pentru sarcină.

Invertorul funcționează la o ieșire de schimbare de fază de 180 de grade, iar Q1, C2, C1 asigură un schimb de fază suplimentar de 180 de grade. În timpul procesului de oscilație, defazarea rămâne întotdeauna la 360 de grade.

Acest oscilator de cristal CMOS oferă ieșire cu undă pătrată. Frecvența maximă de ieșire este fixată de caracteristica de comutare a invertorului CMOS. Frecvența de ieșire poate fi modificată folosind valoarea condensatorilor și valoarea rezistorului. C1 și C2 trebuie să fie aceleași în valori.

Furnizarea de ceas pentru microprocesor folosind cristale

Deoarece utilizarea diferită a oscilatorului cu cristale de cuarț include ceasuri digitale, temporizatoare etc., este, de asemenea, o alegere potrivită pentru furnizarea unui ceas de oscilație stabil pe microprocesor și CPU.

Microprocesorul și CPU necesită o intrare stabilă de ceas pentru funcționare. Cristalul de cuarț este utilizat pe scară largă în aceste scopuri. Cristalul de cuarț oferă o precizie și stabilitate ridicate în comparație cu alte oscilatoare RC sau LC sau RLC.

În general, frecvența de ceas este utilizată pentru microcontroler sau CPU variază de la KHz la Mhz. Această frecvență de ceas determină cât de repede procesorul poate procesa date.

Pentru a atinge această frecvență, un cristal de serie utilizat cu două rețele de condensatoare de aceeași valoare este utilizat pe intrarea oscilatorului respectivului MCU sau CPU.

În această imagine, putem vedea că un cristal cu doi condensatori formează o rețea și este conectat la unitatea de microcontroler sau la unitatea centrală de procesare prin pinul de intrare OSC1 și OSC2. În general, toate microcontrolerele sau procesorul constau din acești doi pini. În unele cazuri sunt disponibile două tipuri de pini OSC. Unul este pentru oscilatorul primar pentru generarea ceasului și altul pentru oscilatorul secundar care este utilizat pentru alte lucrări secundare în care este necesară frecvența ceasului secundar. Valoarea condensatorului variază de la 10pF la 42 pF, orice altceva decât 15pF, 22pF, 33pF este utilizat pe scară largă.