Kwarts kristaloscillator

In onze vorige tutorials over RC Phase Shift Oscillator en Wein Bridge Oscillator, krijgen we een goed idee van wat een oscillator is. Een oscillator is een mechanische of elektronische constructie die oscillatie produceert afhankelijk van enkele variabelen. Een goede goede oscillator produceert een stabiele frequentie.

In het geval van RC (Resistor-Capacitor) of RLC (Resistor-Inductor-Capacitor) oscillatoren, zijn ze geen goede keuze wanneer stabiele en nauwkeurige oscillaties nodig zijn. De temperatuurveranderingen hebben invloed op de belasting en de voedingslijn, wat op zijn beurt de stabiliteit van het oscillatorcircuit beïnvloedt. De stabiliteit kan worden verbeterd tot een bepaald niveau in het geval van een RC- en RLC-circuit, maar toch is de verbetering in specifieke gevallen niet voldoende.

In zo'n situatie wordt het kwartskristal gebruikt. Kwarts is een mineraal dat is samengesteld uit silicium- en zuurstofatomen. Het reageert wanneer een spanningsbron wordt toegepast op kwartskristal. Het produceert een karakteristiek, geïdentificeerd als piëzo-elektrisch effect. Wanneer er een spanningsbron overheen wordt aangelegd, zal deze van vorm veranderen en mechanische krachten produceren, en de mechanische krachten keren terug en produceren elektrische lading.

Omdat het energie elektrisch in mechanisch en mechanisch in elektrisch omzet, wordt het transducers genoemd. Deze veranderingen produceren zeer stabiele trillingen, en als piëzo-elektrisch effect produceert het stabiele trillingen.

Kwartskristal en zijn equivalent circuit

Dit is het symbool van Crystal Oscillator. Het kwartskristal is gemaakt van een dun stuk kwartswafel dat stevig vastzit en wordt gecontroleerd tussen twee parallelle gemetalliseerde oppervlakken. De gemetalliseerde oppervlakken zijn gemaakt voor elektrische verbindingen, en de fysieke grootte en dichtheid van het kwarts en ook de dikte wordt strak gecontroleerd, aangezien de veranderingen in vorm en grootte rechtstreeks van invloed zijn op de oscillatiefrequentie. Als het eenmaal is gevormd en gecontroleerd, is de geproduceerde frequentie vast, de grondfrequentie kan niet worden veranderd in andere frequenties. Deze specifieke frequentie voor het specifieke kristal wordt karakteristieke frequentie genoemd.

In de afbeelding bovenaan staat het linker circuit voor het equivalente circuit van kwartskristal, weergegeven aan de rechterkant. Zoals we kunnen zien, worden 4 passieve componenten gebruikt, twee condensatoren C1 en C2 en één inductor L1, weerstand R1. C1, L1, R1 is in serie geschakeld en de C2 is parallel geschakeld.

De serieschakeling die bestaat uit één condensator, één weerstand en één inductor, symboliseert het gecontroleerde gedrag en de stabiele werking van het kristal en de parallelle condensator, C2 vertegenwoordigt de parallelle capaciteit van het circuit of het equivalente kristal.

Bij de werkfrequentie resoneert de C1 met de zelfinductie L1. Deze werkfrequentie wordt de frequentie van de kristalserie (fs) genoemd. Door deze seriefrequentie wordt een secundair frequentiepunt herkend met de parallelle resonantie. L1 en C1 resoneren ook met de parallelle condensator C2. De parallelle condensator C2 wordt vaak beschreven als de naam van C0 en wordt de shuntcapaciteit van een kwartskristal genoemd.

Crystal Output Impedantie tegen frequentie

Als we de reactantieformule toepassen op twee condensatoren, dan is voor de seriecondensator C1 de capacitieve reactantie: -

X _C1 = 1 / 2πfC ₁

Waar, F = frequentie en C1 = waarde van de seriecapaciteit.

Dezelfde formule is ook van toepassing op de parallelle condensator, de capacitieve reactantie van de parallelle condensator zal zijn: -

X _C2 = 1 / 2πfC ₂

Als we de relatiegrafiek tussen Uitgangsimpedantie en Frequentie zien, zullen we de veranderingen in impedantie zien.

In de bovenste afbeelding zien we de impedantiecurve van de kristaloscillator en zien we ook hoe deze helling verandert wanneer de frequentie verandert. Er zijn twee punten, een is een serie resonantiefrequentiepunt en de andere is een parallel resonantiefrequentiepunt.

Op het serieresonantiefrequentiepunt is de impedantie minimaal geworden. De seriecondensator C1 en de serieinductor L1 creëren een serieresonantie die gelijk is aan de serieweerstand.

Dus op dit resonantiefrequentiepunt van de serie zullen de volgende dingen gebeuren: -

1. De impedantie is minimaal vergeleken in andere frequentietijden.
2. De impedantie is gelijk aan de serieweerstand.
3. Onder dit punt werkt het kristal als een capacitieve vorm.

Vervolgens wordt de frequentie gewijzigd en de helling langzaam verhoogd tot het maximale punt bij parallelle resonantiefrequentie, op dit moment, voordat het parallelle resonantiefrequentiepunt wordt bereikt, fungeert het kristal als een serie-inductor.

Na het bereiken van het parallelle frequentiepunt bereikt de impedantiehelling de maximale waarde. De parallelle condensator C2 en de Series Inductor creëren een LC-tankcircuit en dus werd de uitgangsimpedantie hoog.

Dit is hoe het kristal zich gedraagt ​​als inductor of als een condensator in serie en parallelle resonantie. Kristal kan in deze beide resonantiefrequenties werken, maar niet tegelijkertijd. Het is nodig om op een specifiek apparaat af te stemmen om te kunnen werken.

Kristalreactantie tegen frequentie

De seriereactantie van het circuit kan worden gemeten met behulp van deze formule: -

X _S = R2 + (XL ₁ - XC ₁) ²

Waar, R is de waarde van weerstand

Xl1 is de serie-inductantie van het circuit

Xc1 is de seriecapaciteit van het circuit.

Parallelle capacitieve reactantie van het circuit zal zijn: -

X _CP = -1 / 2πfCp

De parallelle reactantie van het circuit zal zijn: -

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

Als we de grafiek zien, ziet deze er als volgt uit: -

Zoals we in de bovenste grafiek kunnen zien, is de seriereactantie op het punt van serieresonantie omgekeerd evenredig met C1, op het punt van fs tot fp werkt het kristal als inductief omdat op dit punt twee parallelle capaciteiten verwaarloosbaar worden.

Aan de andere kant zal het kristal een capacitieve vorm hebben wanneer de frequentie buiten de fs- en fp-punten ligt.

We kunnen de serie-resonantiefrequentie en de parallelle resonantiefrequentie berekenen met behulp van deze twee formules -

Q-factor voor kwartskristal:

Q is de korte vorm van kwaliteit. Het is een belangrijk aspect van de resonantie van kwartskristallen. Deze Q-factor bepaalt de frequentiestabiliteit van Crystal. Over het algemeen heeft de Q-factor van een kristal een bereik van 20.000 tot meer dan 100.000. Soms is de Q-factor van een kristal ook meer dan 200.000 waarneembaar.

De Q-factor van een kristal kan worden berekend met behulp van de volgende formule -

Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R

Waar, X _L is inductorreactantie en R is de weerstand.

Kwartskristaloscillator Voorbeeld met berekening

We zullen de resonantiefrequentie, de parallelle resonantiefrequentie en de kwaliteitsfactor van het kristal berekenen als de volgende punten beschikbaar zijn:

R1 = 6,8 R

C1 = 0,09970 pF

L1 = 3 mH

En C2 = 30 pF

Serie resonantiefrequentie van het kristal is -

De parallelle resonantiefrequentie van Crystal, fp is -

Nu kunnen we begrijpen dat de seriële resonantiefrequentie 9,20 MHz is en de parallelle resonantiefrequentie 9,23 MHz

De Q-factor van dit kristal wordt

Colpitts Kristaloscillator

Kristaloscillatorcircuit geconstrueerd met behulp van een bipolaire transistor of verschillende soorten FET's. In de bovenste afbeelding wordt een colpitts-oscillator getoond; de capacitieve spanningsdeler wordt gebruikt voor feedback. De transistor Q1 heeft een gemeenschappelijke emitterconfiguratie. In het bovenste circuit worden R1 en R2 gebruikt voor de voorspanning van de transistor en wordt C1 gebruikt als bypass-condensator die de basis beschermt tegen RF-ruis.

In deze configuratie zal kristal als een shunt fungeren vanwege de verbinding van collector naar aarde . Het is in een parallelle resonerende configuratie. Condensator C2 en C3 wordt gebruikt voor feedback. Het kristal Q2 is als parallel resonantiecircuit geschakeld.

De uitgangsversterking is laag in deze configuratie om overmatige vermogensdissipatie in het kristal te vermijden.

Pierce kristaloscillator

Een andere configuratie die wordt gebruikt in kwartskristaloscillatoren, waarbij de transistor wordt veranderd in een JFET voor de versterking, waarbij de JFET een zeer hoge ingangsimpedantie heeft wanneer het kristal is verbonden in Drain to Gate met behulp van een condensator.

In de bovenste afbeelding wordt een Pierce Crystal Oscillator- schakeling getoond. De C4 zorgt voor de nodige terugkoppeling in dit oscillatorcircuit. Deze feedback is een positieve feedback die een faseverschuiving van 180 graden is bij de resonantiefrequentie. R3 regelt de feedback en het kristal zorgt voor de nodige oscillatie.

Pierce-kristaloscillator heeft een minimum aan componenten nodig en daarom is het een voorkeurskeuze waar de ruimte beperkt is. Digitale klok, timers en verschillende soorten horloges maken gebruik van een doordringend kristaloscillatorcircuit. De piek-tot-piekwaarde van de sinusgolfamplitude wordt beperkt door het JFET-spanningsbereik.

CMOS-oscillator

Een basisoscillator die een parallelle resonante kristalconfiguratie gebruikt, kan worden gemaakt met behulp van een CMOS-inverter. De CMOS-omvormer kan worden gebruikt om de vereiste amplitude te bereiken. Het bestaat uit een inverterende Schmitt-trigger zoals 4049, 40106 of Transistor-Transistor logic (TTL) chip 74HC19 etc.

In de bovenste afbeelding gebruikte 74HC19N die fungeerde als een Schmitt-trigger in inverterende configuratie. Het kristal zorgt voor de nodige oscillatie in serie resonantiefrequentie. R1 is de feedbackweerstand voor de CMOS en biedt een hoge Q-factor met hoge versterkingsmogelijkheden. De tweede 74HC19N is een booster om voldoende output te leveren voor de belasting.

De omvormer werkt met een faseverschuivingsuitgang van 180 graden en de Q1, C2, C1 zorgen voor een extra faseverschuiving van 180 graden. Tijdens het oscillatieproces blijft de faseverschuiving altijd 360 graden.

Deze CMOS-kristaloscillator levert blokgolfuitvoer. De maximale uitgangsfrequentie wordt bepaald door de schakelkarakteristiek van de CMOS-omvormer. De uitgangsfrequentie kan worden gewijzigd met behulp van de condensatorwaarde en de weerstandswaarde. C1 en C2 moeten dezelfde waarden hebben.

Klok aan microprocessor leveren met behulp van kristallen

Aangezien een kwartskristaloscillator onder meer digitale horloges, timers enz. Gebruikt, is het ook een geschikte keuze voor het leveren van een stabiele oscillatieklok over de microprocessor en CPU's.

Microprocessor en CPU hebben een stabiele klokingang nodig om te kunnen werken. Kwartskristal wordt veel voor deze doeleinden gebruikt. Kwartskristal biedt een hoge nauwkeurigheid en stabiliteit in vergelijking met andere RC-, LC- of RLC-oscillatoren.

Over het algemeen wordt de klokfrequentie gebruikt voor microcontrollers of CPU's variërend van KHz tot Mhz. Deze klokfrequentie bepaalt hoe snel de processor gegevens kan verwerken.

Om deze frequentie te bereiken, wordt een seriekristal gebruikt met twee condensatornetwerken met dezelfde waarde over de oscillatoringang van de respectieve MCU of CPU.

In deze afbeelding kunnen we zien dat een Crystal met twee condensatoren een netwerk vormt en is verbonden met de Microcontroller-eenheid of de centrale verwerkingseenheid via de OSC1- en OSC2-invoerpen. Over het algemeen bestaan ​​alle microcontrollers of processors uit deze twee pinnen. In sommige gevallen zijn er twee soorten OSC-pinnen beschikbaar. De ene is voor de primaire oscillator voor het genereren van de klok en de andere voor de secundaire oscillator die wordt gebruikt voor andere secundaire werken waar een secundaire klokfrequentie nodig is. De waarde van de condensator varieert van 10pF tot 42 pF, alles daartussenin behalve 15pF, 22pF, 33pF wordt veel gebruikt.