Kuvars kristal osilatör

Önceki RC Faz Kaydırma Osilatörü ve Wein Köprüsü Osilatörü eğitimlerimizde, Osilatörün ne olduğu hakkında adil bir fikir edindik. Bir osilatör, birkaç değişkene bağlı olarak salınım üreten mekanik veya elektronik bir yapıdır. Bir uygun iyi bir osilatör sabit bir frekansı üretir.

RC (Direnç-Kapasitör) veya RLC (Direnç-İndüktör-Kapasitör) Osilatörlerinde, kararlı ve doğru salınımların gerekli olduğu yerlerde iyi bir seçim değildirler. Sıcaklık değişiklikleri yükü ve güç kaynağı hattını etkiler ve bu da Osilatör devresinin kararlılığını etkiler. RC ve RLC devresi durumunda kararlılık belirli bir seviyeye yükseltilebilir, ancak yine de belirli durumlarda iyileştirme yeterli değildir.

Böyle bir durumda Kuvars Kristali kullanılır. Kuvars, silikon ve Oksijen atomlarından oluşan mineraldir. Kuvars kristaline bir voltaj kaynağı uygulandığında tepki verir. Piezo-elektrik etkisi olarak tanımlanan bir özellik üretir. Gerilim kaynağı üzerine uygulandığında, şekil değiştirecek ve mekanik kuvvetler üretecek ve mekanik kuvvetler geri dönecek ve elektrik yükü üretecektir.

Olarak , elektrikli, mekanik ve mekanik elektrik enerjisine dönüştürmek o kadar adlandırılır Transducers. Bu değişiklikler çok kararlı titreşim üretir ve bir Piezo-elektrik etkisi olarak kararlı salınımlar üretir.

Kuvars Kristali ve Eşdeğer Devresi

Bu, Kristal Osilatörün sembolüdür. Kuvars kristali, iki paralel metal yüzey arasına sıkıca oturtulmuş ve kontrol edilmiş ince bir kuvars gofret parçasından yapılmıştır. Metalize yüzeyler elektrik bağlantıları için yapılır ve kuvarsın fiziksel boyutu ve yoğunluğu, ayrıca şekil ve boyuttaki değişiklikler salınım frekansını doğrudan etkilediğinden kalınlık da sıkı bir şekilde kontrol edilir. Şekillendirilip kontrol edildikten sonra üretilen frekans sabitlenir, temel frekans başka frekanslara dönüştürülemez. Spesifik kristal için bu spesifik frekansa karakteristik frekans denir.

Üstteki resimde, sol devre, sağ tarafta gösterilen Quartz Crystal'in eşdeğer devresini temsil ediyor. Gördüğümüz gibi, 4 pasif bileşen kullanılır, iki kapasitör C1 ve C2 ve bir İndüktör L1, Direnç R1. C1, L1, R1 seri olarak bağlanır ve C2 paralel olarak bağlanır.

Bir kapasitör, bir direnç ve bir indüktörden oluşan seri devre, Kristal ve paralel kapasitörün kontrollü davranışını ve kararlı işlemlerini sembolize eder, C2, devrenin veya eşdeğer kristalin paralel kapasitansını temsil eder.

Çalışma frekansında C1, endüktans L1 ile rezonansa girer. Bu çalışma frekansı, kristal serisi frekansı (fs) olarak adlandırılır . Bu seri frekans nedeniyle, paralel rezonansla tanınan bir ikincil frekans noktası. L1 ve C1 ayrıca paralel kondansatör C2 ile rezonansa girer. Paralel Kapasitör C2, genellikle C0'ın adı olarak tanımlanır ve bir Kuvars Kristalinin Şönt Kapasitansı olarak adlandırılır.

Frekansa Karşı Kristal Çıkış Empedansı

Reaktans formülünü iki kapasitör boyunca uygularsak, C1 serisi kapasitör için kapasitif reaktans şöyle olacaktır: -

X _C1 = 1 / 2πfC ₁

Nerede, F = Frekans ve C1 = seri kapasitansın değeri.

Aynı formül Paralel kapasitör için de geçerlidir, paralel kapasitörün kapasitif reaktansı şöyle olacaktır: -

X _C2 = 1 / 2πfC ₂

Çıkış empedansı ile Frekans arasındaki ilişki grafiğini görürsek, empedanstaki değişiklikleri göreceğiz.

Üstteki görüntüde kristal osilatörün empedans eğrisini görüyoruz ve ayrıca frekans değiştiğinde bu eğimin nasıl değiştiğini görüyoruz. Biri seri rezonans frekans noktası ve diğeri paralel rezonans frekans noktası olmak üzere iki nokta vardır.

At serisi rezonans frekansı noktasına empedans haline edilir asgari. Seri kondansatör C1 ve İndüktör L1 serisi, seri dirence eşit olan bir seri rezonans oluşturur.

Yani, bu serinin rezonans frekansı noktasında aşağıdaki şeyler olacak: -

Empedans, diğer frekans zamanlarıyla karşılaştırıldığında minimumdur.
Empedans seri dirence eşittir.
Bu noktanın altında kristal kapasitif bir form görevi görür.

Daha sonra frekans değişir ve eğim paralel rezonans frekansında maksimum noktaya yavaşça yükselir, bu sırada paralel rezonans frekans noktasına ulaşmadan önce kristal bir seri indüktör görevi görür.

Paralel frekans noktasına ulaştıktan sonra empedans eğimi maksimum değere ulaşır. Paralel kondansatör C2 ve Seri İndüktör, bir LC tank devresi oluşturur ve böylece çıkış empedansı yükselir.

Bu, kristalin indüktör olarak veya seri ve paralel rezonansta bir kapasitör gibi davranmasıdır. Kristal bu hem rezonans frekansında çalışabilir hem de aynı anda çalışamaz. Çalışması için herhangi bir özelliğe ayarlanması gerekir.

Frekansa Karşı Kristal Reaktans

Devresinin seri Reaktans bu formül kullanılarak ölçülebilir: -

X _S = R2 + (XL ₁ - XC ₁) ²

Nerede, R, direncin değeridir

Xl1, devrenin seri endüktansıdır

Xc1, devrenin seri kapasitansıdır.

Devrenin paralel kapasitif reaktansı şöyle olacaktır: -

X _CP = -1 / 2πfCp

Devrenin paralel reaktansı şöyle olacaktır: -

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

Grafiği görürsek şöyle görünecektir: -

Seri rezonans noktasında dizi reaktans C1 ters orantılı olduğunu biz gelen noktada üst grafikte görüldüğü gibi fs için fp çünkü bu noktada endüktif olarak kristal hareket, iki paralel kapasitans ihmal edilebilir hale.

Öte yandan, frekans fs ve fp noktalarının dışında olduğunda kristal kapasitif formda olacaktır.

Bu iki formülü kullanarak Seri Rezonans Frekansını ve Paralel Rezonans frekansını hesaplayabiliriz -

Kuvars kristali için Q Faktörü:

Q, Kalitenin kısa biçimidir. Kuvars kristal rezonansının önemli bir yönüdür. Bu Q faktörü, Crystal'in frekans kararlılığını belirler. Genel olarak, bir kristalin Q faktörü 20.000 ila 100.000 arasında bir aralığa sahiptir. Bazen bir kristalin Q faktörü de 200.000'den fazla gözlemlenebilir.

Bir kristalin Q faktörü aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir -

Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R

Burada, X _L indüktör Reaktansı ve R Dirençtir.

Hesaplamalı Kuvars Kristal Osilatör Örneği

Aşağıdaki noktalar mevcut olduğunda, bir kuvars kristal serisi rezonans frekansı, paralel rezonans frekansı ve kristalin Kalite faktörünü hesaplayacağız.

R1 = 6.8R

C1 = 0,09970pF

L1 = 3mH

Ve C2 = 30pF

Kristalin seri rezonans frekansı -

Kristalin paralel rezonans frekansı, fp -

Şimdi, seri rezonans frekansının 9.20 MHz ve paralel rezonans frekansının 9.23 MHz olduğunu anlayabiliriz.

Bu kristalin Q faktörü bazen daha fazla katta olacak

Colpitts Kristal Osilatör

Bipolar transistör veya çeşitli FET türleri kullanılarak yapılmış kristal osilatör devresi. Üstteki resimde bir colpitts osilatörü gösterilmektedir; kapasitif gerilim bölücü kullanılmaktadır geribildirim. Transistör Q1, ortak yayıcı konfigürasyonundadır. Üst devrede R1 ve R2, transistörün polarlanması için kullanılır ve C1, tabanı RF seslerinden koruyan bypass kondansatörü olarak kullanılır.

Bu konfigürasyonda kristal, kollektörden toprağa olan bağlantıdan dolayı şönt görevi görecektir . Paralel rezonans konfigürasyonunda. Kondansatör C2 ve C3 geri bildirim için kullanılır. Kristal Q2, paralel rezonans devresi olarak bağlanır.

Kristaldeki aşırı güç kaybını önlemek için bu konfigürasyonda çıkış amplifikasyonu düşüktür.

Pierce Kristal Osilatör

Transistör bir değiştirilir kuvars kristal osilatör, kullanılan diğer bir yapılandırma JFET amplifikasyonu için JFET içinde çok yüksek girilen empedanslar zaman kristal bir kondansatör kullanılarak Gate Drain bağlanmıştır.

Üstteki resimde bir Pierce Crystal Osilatör devresi gösterilmektedir. C4, bu osilatör devresinde gerekli geri bildirimi sağlar. Bu geri besleme, rezonans frekansında 180 derece faz kayması olan pozitif geri beslemedir. R3 geri bildirimi kontrol eder ve kristal gerekli salınımı sağlar.

Delme kristal osilatörü minimum bileşen sayısına ihtiyaç duyar ve bu nedenle alanın sınırlı olduğu yerlerde tercih edilen bir seçimdir. Dijital saat, zamanlayıcılar ve çeşitli Saat türleri, delme kristal osilatör devresini kullanır. Çıkış sinüs dalgası genliği tepeden tepeye değeri, JFET voltaj aralığı ile sınırlıdır.

CMOS Osilatör

Paralel rezonant kristal konfigürasyonu kullanan basit bir osilatör, CMOS invertör kullanılarak yapılabilir. CMOS invertör, gerekli genliği elde etmek için kullanılabilir. 4049, 40106 veya Transistör-Transistör mantığı (TTL) yongası 74HC19 gibi ters Schmitt tetikleyicisinden oluşur.

Üst görüntüde, ters konfigürasyonda bir Schmitt tetikleyicisi olarak görev yapan 74HC19N kullanılmıştır. Kristal, seri rezonans frekansında gerekli salınımı sağlayacaktır. R1, CMOS için geri besleme direncidir ve yüksek kazanç yetenekleriyle yüksek Q faktörü sağlar. İkinci 74HC19N, yük için yeterli çıktı sağlamak için güçlendiricidir.

İnverter, 180 derece faz kaydırma çıkışında çalışır ve Q1, C2, C1, ilave 180 derece faz kayması sağlar. Salınım işlemi sırasında faz kayması her zaman 360 derece kalır.

Bu CMOS kristal osilatör, kare dalga çıkışı sağlar. Maksimum çıkış frekansı, CMOS sürücünün anahtarlama karakteristiği ile sabitlenir. Çıkış frekansı, Kapasitörler değeri ve Direnç değeri kullanılarak değiştirilebilir. C1 ve C2 değerlerinde aynı olmalıdır.

Kristalleri Kullanarak Mikroişlemciye Saat Sağlama

Kuvars kristal osilatörün çeşitli kullanımları Dijital saatler, Zamanlayıcılar vb. İçerdiğinden, mikroişlemci ve CPU'lar arasında kararlı salınım saati sağlamak için de uygun bir seçimdir.

Mikroişlemci ve CPU'nun çalışması için kararlı saat girişine ihtiyacı vardır. Kuvars kristali bu amaçlar için yaygın olarak kullanılmaktadır. Kuvars kristali, diğer RC veya LC veya RLC osilatörlerine kıyasla yüksek doğruluk ve kararlılık sağlar.

Genel olarak, saat frekansı mikro denetleyici için kullanılır veya CPU, KHz'den Mhz'ye kadar değişir. Bu saat frekansı, işlemcinin verileri ne kadar hızlı işleyebileceğini belirler.

Bu frekansı elde etmek için, ilgili MCU veya CPU'nun osilatör girişi boyunca iki aynı değerli kapasitör ağıyla kullanılan bir seri kristal kullanılır.

Bu görüntüde, iki kapasitörlü bir Kristalin bir ağ oluşturduğunu ve OSC1 ve OSC2 giriş pini aracılığıyla Mikroişlemci birimine veya Merkezi işlem birimine bağlandığını görebiliriz. Genellikle tüm mikro denetleyici veya işlemciler bu iki pini oluşturur. Bazı durumlarda iki tür OSC pini mevcuttur. Birincisi, saati üretmek için birincil osilatör için ve diğeri, ikincil saat frekansının gerekli olduğu diğer ikincil işler için kullanılan ikincil osilatör içindir. Kapasitör değeri 10pF ila 42 pF arasında değişir, 15pF, 22pF, 33pF dışındaki her şey yaygın olarak kullanılır.