- Kvartskristall och dess motsvarande krets
- Impedans mot kristallutgång mot frekvens
- Kristallreaktans mot frekvens
- Q-faktor för kvartskristall:
- Quartz Crystal Oscillator Exempel med beräkning
- Colpitts Crystal Oscillator
- Pierce Crystal Oscillator
- CMOS-oscillator
- Tillhandahålla klocka till mikroprocessorn med hjälp av kristaller
I våra tidigare RC Phase Shift Oscillator och Wein Bridge Oscillator tutorials får vi en rättvis uppfattning om vad som är en Oscillator. En oscillator är en mekanisk eller elektronisk konstruktion som producerar oscillation beroende på få variabler. En ordentlig bra oscillator ger stabil frekvens.
Vid RC (Resistor-Capacitor) eller RLC (Resistor-Inductor-Capacitor) Oscillatorer är de inte ett bra val där stabila och exakta svängningar behövs. Temperaturförändringarna påverkar belastningen och strömförsörjningsledningen som i sin tur påverkar oscillatorkretsens stabilitet. Stabiliteten kan förbättras till en viss nivå vid RC- och RLC-kretsar, men ändå är förbättringen inte tillräcklig i specifika fall.
I en sådan situation används kvartskristallen. Kvarts är mineral bestående av kisel- och syreatomer. Det reagerar när en spänningskälla appliceras på kvartskristall. Det ger en egenskap som identifieras som piezo-elektrisk effekt. När spänningskällan appliceras över den kommer den att förändra form och producera mekaniska krafter, och de mekaniska krafterna återgår och producerar elektrisk laddning.
Eftersom den omvandlar energi elektrisk till mekanisk och mekanisk till elektrisk kallas den omvandlare. Dessa förändringar producerar mycket stabil vibration, och som en Piezo-elektrisk effekt producerar de stabila svängningarna.
Kvartskristall och dess motsvarande krets
Detta är symbolen för Crystal Oscillator. Kvartskristallen är tillverkad av en tunn bit kvartsskiva tätt monterad och styrd mellan två parallella metalliserade ytor. De metalliserade ytorna är gjorda för elektriska anslutningar, och kvartsets fysiska storlek och densitet styrs också tätt eftersom förändringarna i form och storlek direkt påverkar svängningsfrekvensen. När den väl har formats och kontrollerats, är den producerade frekvensen fixerad, grundfrekvensen kan inte ändras till andra frekvenser. Denna specifika frekvens för den specifika kristallen kallas karakteristisk frekvens.
I den övre bilden representerar vänster krets motsvarande krets av kvartskristall, som visas på höger sida. Som vi kan se används fyra passiva komponenter, två kondensatorer C1 och C2 och en induktor L1, motstånd R1. C1, L1, R1 är seriekopplade och C2 är parallellkopplad.
Seriekretsen som består av en kondensator, ett motstånd och en induktor, symboliserar det kontrollerade beteendet och de stabila funktionerna hos Crystal och den parallella kondensatorn, C2 representerar kretsens parallella kapacitans eller motsvarande kristall.
Vid arbetsfrekvensen resonerar C1 med induktansen L1. Denna arbetsfrekvens kallas kristallseriefrekvens (fs). På grund av denna seriefrekvens igenkänns en sekundär frekvenspunkt med parallellresonansen. L1 och Cl resonerar också med den parallella kondensatorn C2. Den parallella kondensatorn C2 beskriver ofta som namnet på C0 och kallas Shunt Capacitance of a Quartz Crystal.
Impedans mot kristallutgång mot frekvens
Om vi tillämpar reaktansformel över två kondensatorer kommer den kapacitiva reaktansen för seriekondensatorn C1 att vara: -
X C1 = 1 / 2πfC 1
Var, F = Frekvens och C1 = värde för seriekapacitansen.
Samma formel gäller även för parallell kondensator, den kapacitiva reaktansen hos den parallella kondensatorn kommer att vara: -
X C2 = 1 / 2πfC 2
Om vi ser förhållandediagrammet mellan utgångsimpedans och frekvens ser vi förändringarna i impedans.
I den övre bilden ser vi kristalloscillatorns impedanskurva och ser också att hur denna lutning förändras när frekvensen ändras. Det finns två punkter en är serie resonans frekvens punkt och den andra är parallell resonans frekvens punkt.
Vid serieresonansfrekvenspunkten blev impedansen minimal. Seriekondensatorn C1 och serien Induktor L1 skapar en serieresonans som är lika med seriemotståndet.
Så vid denna serieresonansfrekvens kommer följande saker att hända: -
- Impedansen är minsta jämfört med andra frekvens gånger.
- Impedans är lika med seriemotståndet.
- Under denna punkt fungerar kristallen som en kapacitiv form.
Därefter ändras frekvensen och lutningen ökar långsamt till maximal punkt vid parallell resonansfrekvens, vid denna tidpunkt, innan den når den parallella resonansfrekvenspunkten, fungerar kristallen som en serieinduktor.
Efter att ha uppnått den parallella frekvenspunkten når impedanslutningen maximalt i värde. Parallellkondensatorn C2 och serieinduktorn skapar en LC-tankkrets och därmed blir utgångsimpedansen hög.
Så här beter sig kristallen som induktor eller som en kondensator i serie- och parallellresonans. Crystal kan arbeta i dessa båda resonansfrekvenser men inte samtidigt. Det måste vara anpassat till vilken specifik som helst för att fungera.
Kristallreaktans mot frekvens
Den serie Reaktans av kretsen kan mätas med användning av denna formel: -
X S = R2 + (XL 1 - XC 1) 2
Där R är värdet på motståndet
Xl1 är serieinduktansen för kretsen
Xc1 är kretsens seriekapacitans.
Parallell kapacitiv reaktans hos kretsen kommer att vara: -
X CP = -1 / 2πfCp
Kretsens parallella reaktans kommer att vara: -
Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp
Om vi ser grafen kommer det att se ut så här: -
Som vi kan se i den övre grafen att seriereaktansen vid seriepunktsresonans är omvänt proportionell mot C1, vid punkten från fs till fp fungerar kristallen som induktiv eftersom vid denna punkt blir två parallella kapacitanser försumbar.
Å andra sidan kommer kristallen att ha kapacitiv form när frekvensen ligger utanför fs- och fp-punkterna.
Vi kan beräkna serieresonansfrekvensen och parallellresonansfrekvensen med de här två formlerna -
Q-faktor för kvartskristall:
Q är den korta formen av kvalitet. Det är en viktig aspekt av kvartskristallresonans. Denna Q-faktor bestämmer Crystal frekvensstabilitet. Generellt har Q-faktorn för en kristall ett intervall från 20 000 till mer än 100 000. Ibland är Q-faktorn för en kristall mer än 200 000 också observerbar.
Q-faktor för en kristall kan beräknas med följande formel -
Q = X L / R = 2πfsL 1 / R.
Där X L är induktorns reaktans och R är motståndet.
Quartz Crystal Oscillator Exempel med beräkning
Vi beräknar en resonansfrekvens av kvartskristaller, parallell resonansfrekvens och kristallens kvalitetsfaktor när följande punkter finns tillgängliga -
R1 = 6,8R
C1 = 0,09970pF
L1 = 3mH
Och C2 = 30pF
Serieresonansfrekvensen för kristallen är -
Crystal's parallella resonansfrekvens, fp är -
Nu kan vi förstå att serieresonansfrekvensen är 9,20 MHz och den parallella resonansfrekvensen är 9,23 MHz
Den Q-faktorn av denna kristall kommer att vara-
Colpitts Crystal Oscillator
Kristalloscillatorkrets konstruerad med bipolär transistor eller olika typer av FET. I den övre bilden visas en kolpittsoscillator; den kapacitiva spänningsdelaren används för återkoppling. Transistorn Q1 har vanlig emitterkonfiguration. I den övre kretsen används R1 och R2 för förspänning av transistorn och C1 används som bypasskondensator som skyddar basen från RF-ljud.
I den här konfigurationen fungerar kristall som en shunt på grund av anslutningen från samlare till mark . Det är i parallell resonanskonfiguration. Kondensator C2 och C3 används för återkoppling. Kristallen Q2 är ansluten som en parallell resonanskrets.
Utgångsförstärkningen är låg i denna konfiguration för att undvika överskottseffektförlust i kristallen.
Pierce Crystal Oscillator
En annan konfiguration som används i kvartskristalloscillator, där transistorn byts till en JFET för förstärkning där JFET är i mycket höga ingångsimpedanser när kristallen är ansluten i Drain to Gate med en kondensator.
I den övre bilden visas en Pierce Crystal Oscillator- krets. C4 ger nödvändig återkoppling i denna oscillatorkrets. Denna feedback är positiv feedback som är 180 graders fasförskjutning vid resonansfrekvensen. R3 styr återkopplingen och kristallen ger nödvändig svängning.
Pierce crystal oscillator behöver minimala antal komponenter och på grund av detta är det ett föredraget val där utrymmet är begränsat. Digital klocka, timers och olika typer av klockor använder piercade kristalloscillatorkretsar. Utgångsinusvågens amplitud topp till toppvärde begränsas av JFET-spänningsområdet.
CMOS-oscillator
En basoscillator som använder parallellresonanskristallkonfiguration kan göras med hjälp av CMOS-inverterare. CMOS-växelriktaren kan användas för att uppnå önskad amplitud. Den består av inverterande Schmitt-utlösare som 4049, 40106 eller Transistor-Transistor logic (TTL) chip 74HC19 etc.
I den övre bilden 74HC19N används som fungerar som en Schmitt-utlösare i inverterande konfiguration. Kristallen ger nödvändig svängning i serieresonansfrekvens. R1 är återkopplingsmotståndet för CMOS och ger hög Q-faktor med hög förstärkning. Den andra 74HC19N är booster för att ge tillräcklig effekt för lasten.
Omformaren arbetar vid 180 graders fasförskjutningsutgång och Q1, C2, C1 ger ytterligare 180 graders fasförskjutning. Under oscillationsprocessen förblir fasförskjutningen alltid 360 grader.
Denna CMOS-kristalloscillator ger fyrkantvågseffekt. Den maximala utgångsfrekvensen bestäms av CMOS-växelriktarens omkopplingskaraktäristik. Utgångsfrekvensen kan ändras med hjälp av kondensatorvärde och motståndsvärde. C1 och C2 måste ha samma värden.
Tillhandahålla klocka till mikroprocessorn med hjälp av kristaller
Eftersom olika användningar av kvartskristalloscillatorer inkluderar digitala klockor, timers etc, är det också ett lämpligt val för att tillhandahålla stabil oscillationsklocka över mikroprocessor och processorer.
Mikroprocessor och CPU behöver stabil klockingång för att fungera. Kvartskristall används ofta för dessa ändamål. Kvartskristall ger hög noggrannhet och stabilitet jämfört med andra RC- eller LC- eller RLC-oscillatorer.
I allmänhet används klockfrekvensen för mikrokontroller eller CPU varierar från KHz till MHz. Denna klockfrekvens avgör hur snabbt processorn kan bearbeta data.
För att uppnå denna frekvens används en seriekristall som används med två samma värden kondensatornätverk över oscillatoringången på respektive MCU eller CPU.
I den här bilden kan vi se att en Crystal med två kondensatorer bildar ett nätverk och är ansluten över Microcontroller-enhet eller Centralbehandlingsenhet via OSC1 och OSC2-ingångsstift. I allmänhet består all mikrokontroller eller processor av denna två stift. I vissa fall finns det två typer av OSC-stift tillgängliga. Den ena är för primäroscillator för att generera klockan och andra för sekundäroscillator som används för andra sekundära verk där sekundär klockfrekvens behövs. Kondensatorvärdet varierar från 10pF till 42 pF, allt mellan 15pF, 22pF, 33pF används i stor utsträckning.