ออสซิลเลเตอร์คริสตัลควอตซ์

ในก่อนหน้าของเรา RC เฟสกะ Oscillator และแบบฝึกหัด Wein สะพาน Oscillator เราได้รับความคิดพื้นฐานเกี่ยวกับสิ่งที่เป็น Oscillator ออสซิลเลเตอร์เป็นโครงสร้างทางกลหรือทางอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งทำให้เกิดการสั่นขึ้นอยู่กับตัวแปรบางตัว oscillator ที่ดีที่เหมาะสมผลิตความถี่ที่มีเสถียรภาพ

ในกรณีของ RC (ตัวต้านทาน - ตัวเก็บประจุ) หรือ RLC (ตัวต้านทาน - ตัวเหนี่ยวนำ - ตัวเก็บประจุ) ออสซิลเลเตอร์ไม่ใช่ทางเลือกที่ดีหากจำเป็นต้องมีการสั่นที่เสถียรและแม่นยำ การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิมีผลต่อโหลดและสายจ่ายไฟซึ่งจะส่งผลต่อเสถียรภาพของวงจรออสซิลเลเตอร์ ความเสถียรสามารถปรับปรุงได้ในระดับหนึ่งในกรณีของวงจร RC และ RLC แต่การปรับปรุงยังไม่เพียงพอในบางกรณี

ในสถานการณ์เช่นนี้จะใช้Quartz Crystal ควอตซ์เป็นแร่ที่ประกอบด้วยอะตอมของซิลิกอนและออกซิเจน มันทำปฏิกิริยาเมื่อแหล่งจ่ายแรงดันที่ใช้กับผลึกควอตซ์ ก่อให้เกิดลักษณะเฉพาะซึ่งระบุว่าเป็นผลกระทบของPiezo-electric เมื่อแหล่งจ่ายแรงดันถูกนำไปใช้กับมันจะเปลี่ยนรูปร่างและสร้างแรงเชิงกลและแรงเชิงกลจะเปลี่ยนกลับและผลิตประจุไฟฟ้า

เมื่อแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นเครื่องกลและเครื่องกลเป็นไฟฟ้าจึงเรียกว่าทรานสดิวเซอร์ การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ก่อให้เกิดการสั่นสะเทือนที่เสถียรมากและในฐานะที่เป็นผลกระทบของPiezo-electricจะทำให้เกิดการสั่นที่เสถียร

ควอตซ์คริสตัลและวงจรเทียบเท่า

นี่คือสัญลักษณ์ของ Crystal Oscillator คริสตัลควอตซ์ทำจากเวเฟอร์ควอตซ์ชิ้นบาง ๆ ติดตั้งอย่างแน่นหนาและควบคุมระหว่างพื้นผิวโลหะสองแบบขนานกัน พื้นผิวโลหะถูกสร้างขึ้นเพื่อการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าและขนาดและความหนาแน่นทางกายภาพของควอตซ์ยังควบคุมความหนาอย่างแน่นหนาเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงรูปร่างและขนาดมีผลโดยตรงกับความถี่การสั่น เมื่อมีรูปร่างและควบคุมความถี่ที่ผลิตจะคงที่แล้วจะไม่สามารถเปลี่ยนความถี่พื้นฐานเป็นความถี่อื่นได้ ความถี่เฉพาะนี้คริสตัลเฉพาะที่เรียกว่าความถี่ลักษณะ

ในภาพบนวงจรด้านซ้ายแสดงถึงวงจรเทียบเท่าของควอตซ์คริสตัลที่แสดงไว้ทางด้านขวา อย่างที่เราเห็นมีการใช้ส่วนประกอบแฝง 4 ตัวตัวเก็บประจุ C1 และ C2 สองตัวและตัวเหนี่ยวนำ L1 ตัวต้านทาน R1 หนึ่งตัว C1, L1, R1 เชื่อมต่อแบบอนุกรมและ C2 เชื่อมต่อแบบขนาน

วงจรอนุกรมซึ่งประกอบด้วยตัวเก็บประจุหนึ่งตัวตัวต้านทานหนึ่งตัวและตัวเหนี่ยวนำหนึ่งตัวเป็นสัญลักษณ์ของพฤติกรรมที่ควบคุมและการทำงานที่มั่นคงของคริสตัลและตัวเก็บประจุแบบขนาน C2 แสดงถึงความจุขนานของวงจรหรือคริสตัลที่เท่ากัน

ที่ความถี่ในการทำงาน C1 จะสะท้อนกับตัวเหนี่ยวนำ L1 ความถี่ในการทำงานนี้เรียกว่าความถี่ชุดผลึก (fs) เนื่องจากความถี่ชุดนี้เป็นจุดความถี่ทุติยภูมิที่รับรู้ด้วยเสียงสะท้อนแบบขนาน L1 และ C1 ยังสะท้อนกับตัวเก็บประจุแบบขนาน C2 ตัวเก็บประจุแบบขนาน C2 มักอธิบายว่าเป็นชื่อของ C0 และเรียกว่าShunt Capacitanceของผลึกควอตซ์

ความต้านทานเอาต์พุตคริสตัลเทียบกับความถี่

ถ้าเราใช้สูตรรีแอกแตนซ์กับตัวเก็บประจุสองตัวดังนั้นสำหรับตัวเก็บประจุแบบอนุกรม C1 ค่ารีแอคแตนซ์ของความจุจะเป็น: -

X _C1 = 1 / 2πfC ₁

ที่ไหน

F = ความถี่และ C1 = ค่าของความจุของอนุกรม

สูตรเดียวกันนี้ใช้กับตัวเก็บประจุแบบขนานเช่นกันค่ารีแอคแตนซ์ของตัวเก็บประจุแบบขนานจะเป็นดังนี้: -

X _C2 = 1 / 2πfC ₂

หากเราเห็นกราฟความสัมพันธ์ระหว่างอิมพีแดนซ์เอาต์พุตเทียบกับความถี่เราจะเห็นการเปลี่ยนแปลงของอิมพีแดนซ์

ในภาพบนเราจะเห็นเส้นโค้งอิมพีแดนซ์ของคริสตัลออสซิลเลเตอร์และยังเห็นว่าความชันนี้เปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อความถี่เปลี่ยนไป มีสองจุดจุดหนึ่งคือจุดความถี่เรโซแนนซ์อนุกรมและอีกจุดหนึ่งคือจุดความถี่เรโซแนนซ์แบบขนาน

ที่จุดชุดจังหวะความถี่ความต้านทานจะกลายเป็นขั้นต่ำตัวเก็บประจุแบบอนุกรม C1 และตัวเหนี่ยวนำซีรีส์ L1 สร้างการสั่นพ้องแบบอนุกรมซึ่งเท่ากับตัวต้านทานแบบอนุกรม

ดังนั้นที่จุดความถี่เรโซแนนซ์ชุดนี้สิ่งต่อไปนี้จะเกิดขึ้น: -

ความต้านทานต่ำสุดเมื่อเทียบกับความถี่อื่น ๆ
อิมพีแดนซ์เท่ากับตัวต้านทานแบบอนุกรม
ด้านล่างจุดนี้คริสตัลทำหน้าที่เป็นรูปแบบ capacitive

ถัดไปความถี่จะเปลี่ยนไปและความชันจะค่อยๆเพิ่มขึ้นจนถึงจุดสูงสุดที่ความถี่เรโซแนนซ์ขนานในเวลานี้ก่อนที่จะถึงจุดความถี่เรโซแนนซ์แบบขนานคริสตัลจะทำหน้าที่เป็นตัวเหนี่ยวนำแบบอนุกรม

หลังจากถึงจุดความถี่คู่ขนานแล้วความชันของอิมพีแดนซ์จะถึงค่าสูงสุด ตัวเก็บประจุแบบขนาน C2 และตัวเหนี่ยวนำซีรีส์สร้างวงจรถัง LC และทำให้อิมพีแดนซ์เอาต์พุตสูง

นี่คือลักษณะการทำงานของคริสตัลในฐานะตัวเหนี่ยวนำหรือเหมือนตัวเก็บประจุแบบอนุกรมและการสั่นพ้องแบบขนาน คริสตัลสามารถทำงานในความถี่เรโซแนนซ์นี้ได้ทั้งสองความถี่ แต่ไม่สามารถทำงานได้ในเวลาเดียวกัน จะต้องมีการปรับแต่งเฉพาะอย่างใดอย่างหนึ่งเพื่อใช้งาน

ปฏิกิริยาคริสตัลกับความถี่

Reactance ชุดวงจรที่สามารถวัดได้โดยใช้สูตรนี้: -

X _S = R2 + (XL ₁ - XC ₁) ²

โดยที่ R คือค่าของความต้านทาน

Xl1 เป็นอนุกรมของการเหนี่ยวนำของวงจร

Xc1 คืออนุกรมความจุของวงจร

ปฏิกิริยาการเก็บประจุแบบขนานของวงจรจะเป็น: -

X _CP = -1 / 2πfCp

รีแอคแตนซ์แบบขนานของวงจรจะเป็น: -

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

หากเราเห็นกราฟจะมีลักษณะดังนี้: -

ในฐานะที่เราสามารถมองเห็นในรูปแบบของกราฟบนว่าปฏิกิริยาชุดที่จุดของชุดสะท้อนเป็นสัดส่วนผกผันกับ C1 ที่จุดจากFSเพื่อFPการกระทำคริสตัลเป็นอุปนัยเพราะ ณ จุดนี้ทั้งสองความจุขนานกลายเล็กน้อย

ในทางกลับกันคริสตัลจะอยู่ในรูปแบบ capacitive เมื่อความถี่อยู่นอกจุด fs และ fp

เราสามารถคำนวณความถี่เรโซแนนซ์แบบอนุกรมและความถี่เรโซแนนซ์แบบขนานโดยใช้สองสูตรนี้ -

Q Factor สำหรับควอตซ์คริสตัล:

Q เป็นรูปแบบสั้น ๆ ของคุณภาพ เป็นลักษณะสำคัญของการสั่นพ้องของผลึกควอตซ์ ปัจจัย Q นี้กำหนดเสถียรภาพความถี่ของคริสตัล โดยทั่วไปปัจจัย Q ของคริสตัลมีช่วงจาก20, 000 ให้มากขึ้นกว่า 100,000 บางครั้งปัจจัย Q ของคริสตัลมากกว่า 200,000 ก็สามารถสังเกตได้เช่นกัน

Q factor ของคริสตัลสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้ -

Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R

ที่ไหนX _L เป็นตัวเหนี่ยวนำ Reactance และ R คือความต้านทาน

ตัวอย่าง Quartz Crystal Oscillator พร้อมการคำนวณ

เราจะคำนวณความถี่เรโซแนนซ์ของชุดผลึกควอตซ์ความถี่เรโซแนนซ์ขนานและปัจจัยคุณภาพของคริสตัลเมื่อมีจุดต่อไปนี้ -

R1 = 6.8R

C1 = 0.09970pF

L1 = 3mH

และ C2 = 30pF

ความถี่เรโซแนนซ์ของคริสตัลคือ -

ความถี่เรโซแนนซ์ขนานของคริสตัล fp คือ -

ตอนนี้เราเข้าใจได้แล้วว่าความถี่เรโซแนนซ์อนุกรมคือ9.20 MHzและความถี่เรโซแนนซ์ขนานคือ9.23 MHz

คิวปัจจัยของผลึกนี้จะ be-

Colpitts Crystal Oscillator

คริสตัล oscillator วงจรสร้างขึ้นโดยใช้ทรานซิสเตอร์สองขั้วหรือประเภทต่างๆของFETsในภาพบนจะแสดงออสซิลเลเตอร์ colpitts แบ่งแรงดัน capacitiveจะใช้สำหรับข้อเสนอแนะทรานซิสเตอร์ Q1 อยู่ในการกำหนดค่าอีซีแอลทั่วไป ในวงจรด้านบน R1 และ R2 ใช้สำหรับการให้น้ำหนักของทรานซิสเตอร์และ C1 ใช้เป็นตัวเก็บประจุแบบบายพาสซึ่งป้องกันฐานจากเสียง RF

ในการกำหนดค่านี้คริสตัลจะทำหน้าที่เป็นตัวแบ่งเนื่องจากการเชื่อมต่อจากตัวสะสมถึงกราวด์ มันอยู่ในการกำหนดค่าเรโซแนนซ์แบบขนาน Capacitor C2 และ C3 ใช้สำหรับป้อนกลับ คริสตัล Q2 เชื่อมต่อเป็นวงจรเรโซแนนซ์แบบขนาน

การขยายเอาต์พุตอยู่ในระดับต่ำในการกำหนดค่านี้เพื่อหลีกเลี่ยงการกระจายพลังงานส่วนเกินในคริสตัล

เพียร์ซคริสตัลออสซิลเลเตอร์

การกำหนดค่าอื่นที่ใช้ในคริสตัลควอตซ์ที่ทรานซิสเตอร์จะถูกเปลี่ยนไปเป็นJFETสำหรับการขยายที่JFET อยู่ในความต้านทานอินพุตสูงมากเมื่อคริสตัลมีการเชื่อมต่อในท่อระบายน้ำกับ Gate โดยใช้ตัวเก็บประจุ

ในภาพบนจะแสดงวงจรเพียร์ซคริสตัลออสซิลเลเตอร์ C4 ให้ข้อเสนอแนะที่จำเป็นในวงจรออสซิลเลเตอร์นี้ ข้อเสนอแนะนี้เป็นข้อเสนอแนะเชิงบวกซึ่งเป็นการกะระยะ 180 องศาที่ความถี่เรโซแนนซ์ R3 ควบคุมการตอบรับและคริสตัลให้การสั่นที่จำเป็น

เพียร์ซคริสตัลออสซิลเลเตอร์ต้องการการนับส่วนประกอบขั้นต่ำและด้วยเหตุนี้จึงเป็นทางเลือกที่ดีกว่าในกรณีที่มีพื้นที่ จำกัด นาฬิกาดิจิตอลจับเวลาและประเภทต่างๆของนาฬิกาเพียร์ซการใช้งานวงจร oscillator คริสตัล แอมพลิจูดคลื่นไซน์เอาท์พุตสูงสุดถึงค่าสูงสุดถูก จำกัด โดยช่วงแรงดันไฟฟ้า JFET

CMOS Oscillator

ออสซิลเลเตอร์พื้นฐานที่ใช้คอนฟิกูเรชันคริสตัลเรโซแนนซ์ขนานสามารถทำได้โดยใช้อินเวอร์เตอร์ CMOS สามารถใช้อินเวอร์เตอร์ CMOS เพื่อให้ได้แอมพลิจูดที่ต้องการ ประกอบด้วยทริกเกอร์ Schmitt กลับด้านเช่นชิป 4049, 40106 หรือทรานซิสเตอร์ - ทรานซิสเตอร์ลอจิก (TTL) 74HC19 เป็นต้น

ในภาพบน74HC19Nใช้ซึ่งทำหน้าที่เป็นทริกเกอร์ Schmitt ในการกำหนดค่ากลับด้าน คริสตัลจะให้การสั่นที่จำเป็นในความถี่เรโซแนนซ์แบบอนุกรม R1 เป็นตัวต้านทานแบบป้อนกลับสำหรับ CMOS และให้ปัจจัย Q สูงพร้อมความสามารถในการรับสูง 74HC19N ตัวที่สองเป็นบูสเตอร์เพื่อให้มีเอาต์พุตเพียงพอสำหรับโหลด

อินเวอร์เตอร์ทำงานที่เอาต์พุตกะระยะ 180 องศาและ Q1, C2, C1 ให้การกะระยะเพิ่มเติม 180 องศา ในระหว่างขั้นตอนการสั่นการกะระยะจะยังคงเป็น 360 องศาเสมอ

นี้oscillator คริสตัล CMOS ให้ผลผลิตคลื่นสี่เหลี่ยม ความถี่เอาต์พุตสูงสุดได้รับการแก้ไขโดยลักษณะการสลับของอินเวอร์เตอร์ CMOS ความถี่เอาต์พุตสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยใช้ค่า Capacitors และค่า Resistor ค่า C1 และ C2 ต้องเหมือนกัน

จัดหานาฬิกาให้กับไมโครโปรเซสเซอร์โดยใช้คริสตัล

เนื่องจากการใช้ออสซิลเลเตอร์คริสตัลควอตซ์ที่หลากหลายรวมถึงนาฬิกาดิจิตอลตัวจับเวลาและอื่น ๆ จึงเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับการจัดหานาฬิกาการสั่นที่เสถียรผ่านไมโครโปรเซสเซอร์และซีพียู

ไมโครโปรเซสเซอร์และ CPU ต้องการอินพุตนาฬิกาที่เสถียรสำหรับการทำงาน ควอตซ์คริสตัลใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อวัตถุประสงค์เหล่านี้ ควอตซ์คริสตัลให้ความแม่นยำและเสถียรภาพสูงเมื่อเทียบกับออสซิลเลเตอร์ RC หรือ LC หรือ RLC อื่น ๆ

โดยทั่วไปความถี่สัญญาณนาฬิกาใช้สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์หรือ CPU อยู่ในช่วงตั้งแต่ KHz ถึง Mhz ความถี่สัญญาณนาฬิกานี้กำหนดว่าโปรเซสเซอร์สามารถประมวลผลข้อมูลได้เร็วเพียงใด

เพื่อให้ได้ความถี่นี้คริสตัลซีรีส์ที่ใช้กับเครือข่ายตัวเก็บประจุที่มีค่าเดียวกันสองตัวจะถูกใช้กับอินพุตออสซิลเลเตอร์ของ MCU หรือ CPU ที่เกี่ยวข้อง

ในภาพนี้เราจะเห็นว่าคริสตัลที่มีตัวเก็บประจุสองตัวสร้างเครือข่ายและเชื่อมต่อระหว่างหน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์หรือหน่วยประมวลผลกลางผ่านขาอินพุต OSC1 และ OSC2 โดยทั่วไปไมโครคอนโทรลเลอร์หรือโปรเซสเซอร์ทั้งหมดประกอบด้วยพินสองตัวนี้ ในบางกรณีจะมีพิน OSC ให้เลือกสองประเภท หนึ่งสำหรับออสซิลเลเตอร์หลักสำหรับสร้างนาฬิกาและอื่น ๆ สำหรับออสซิลเลเตอร์รองซึ่งใช้สำหรับงานรองอื่น ๆ ที่ต้องการความถี่สัญญาณนาฬิการอง ค่าตัวเก็บประจุมีตั้งแต่ 10pF ถึง 42 pF โดยมีค่าอะไรอยู่ระหว่าง 15pF, 22pF, 33pF