کریستال کوارتز اسیلاتور چیست؟ انواع کریستال اسیلاتور کوارتز

سلام. کریستال کوارتز اسیلاتور چیست؟ انواع و محاسبات نوسان ساز ها را آماده کردیم.

کریستال نوسانگر کوارتز چیست؟

در صورتی که در جایی نوسانات پایدار و دقیق لازم باشد ، نوسانگرهای Resistor-Capacitor = RC و نوسانگرهای RLC = Resistor-Inductor-Capacitor انتخاب مناسبی نیستند. تغییرات دما بر روی بار الکتریکی و خط منبع قدرت تاثیر می گذارد که آن نیز به نوبه خود بر پایداری مدار نوسانگر تاثیر می گذارد. در صورت وجود مدار RC و RLC ،می توان پایداری (مقاومت) را تا حد معینی بهبود داد، اما هنوز هم در مواردی خاص، این بهبود عملکرد کافی نیست. در چنین شرایطی از کریستال کوارتز استفاده می شود . کوارتز، ماده معدنی است که از اتم های سیلیکون و اکسیژن تشکیل شده است.

هنگامی که یک منبع ولتاژ بر روی کریستال کوارتز اعمال می شود، آن واکنش نشان می دهد. این یک ویژگی را ایجاد می کند که به عنوان اثر پیزوالکتریکی شناخته می شود . هنگامی که منبع ولتاژ در سراسر آن اعمال شود، تغییر شکل می دهد و نیروی مکانیکی تولید می کند و این نیروی مکانیکی، به عقب باز می گردد و بار الکتریکی تولید می کند. از آنجایی که انرژی الکتریکی را به مکانیکی و مکانیکی را به الکتریکی تبدیل می کند، به آن مبدل می گویند. این تغییرات لرزشی بسیار پایدار ایجاد می کنند و به عنوان یک اثر پیزوالکتریکی، نوسانات پایدار را ایجاد می کنند.

نماد کریستال کوارتز در مدار

کریستال کوارتز، از تکه های نازک ویفرکوارتز ساخته شده است که محکم در آن قرارگرفته اند و بین دو سطح فلزی موازی کنترل می شوند. سطوح فلزی، برای اتصالات الکتریکی ساخته شده اند و اندازه و چگالی فیزیکی کوارتز، همچنین ضخامت آن کاملاً کنترل می شود زیرا تغییرات در شکل و اندازه به طور مستقیم فرکانس نوسان را کنترل می کند و بر روی آن تاثیر می گذارد. پس از شکل گیری و کنترل، فرکانس تولید شده ثابت می شود، فرکانس اساسی (بنیادی) به فرکانس های دیگر قابل تغییر نیست. این فرکانس خاص برای یک کریستالی خاص و مشخص، فرکانس مشخصه (نهادی) نامیده می شود.

در تصویر بالا، مدار چپ نشان دهنده ی مدار معادل کریستال کوارتز است که در سمت راست نشان داده شده است. همانطور که می بینیم از چهار جز غیر فعال استفاده شده است، دو خازن C1 و C2 و یک القاگر L1 و مقامت R1. C1, L1, R1 به صورت سری وC2 به صورت موازی بسته می شوند. مدار سری که شامل یک خازن، یک مقاومت و یک القاگر است، نشانگر رفتار کنترل شده و عملکرد پایدار کریستال و خازن موازی و C2 نشان دهنده ی ظرفیت موازی مدار یا معادل کریستال است. در عملیات فرکانس، C1 با القای L1 تشدید می شود. این فرکانس عامل، به عنوان فرکانس سری کریستال (fs )گفته می شود. با توجه به این فرکانس سری، یک نقطه فرکانس ثانویه با تشدید موازی تشخیص داده می شود. L1 وC1 نیز همچنین با خازن موازی C2تشدید می شوند. خازن موازی C2 ، اغلب به عنوان نام C0 تعریف می شود و ظرفیت خازنی شنت کریستال کوارتز نام دارد.

معادلات کریستال کوارتز اسیلاتور

در این قسمت به طور کامل فرمول های محاسبات مربوط به کریستال اسیلاتور کوارتز (Quartz Crystal Oscillator) را بررسی میکنیم.

مقاومت خروجی کریستال در برابر فرکانس

اگر ما فرمول راکتانس را در دو خازن اعمال کنیم ، برای خازن سری C₁ ، راکتانس خازنی به صورت زیر خواهد بود:

X_C1 = 1 / 2πfC₁

در اینجا: F = فرکانس   C₁ = ظرفیت خازن سری

همان فرمول، برای خازن موازی اعمال می شود و میزان واکنش خازن موازی به صورت زیر خواهد بود :

X_C2 = 1 / 2πfC₂

در اینجا: F= فرکانس    C₂= ظرفیت خازن موازی

در صورت محاسبه امپدانس ( مقاومت ظاهری) سری و امپدانس موازی، فرمول ها به صورت زیر خواهد بود:

اگر نمودار رابطه بین امپدانس خروجی و فرکانس را ببینیم ، شاهد تغییراتی در امپدانس خواهیم بود.

در تصویر بالا منحنی مقاومت ظاهری نوسانگر را می بینیم و همچنین می بینیم که با تغییر فرکانس چگونه این شیب تغییر می کند. دو نقطه وجود دارد، یکی نقطه ی فرکانس رزونانس سری و دیگری نقطه فرکانس رزونانس موازی.

در نقطه فرکانس رزونانس سری، مقاومت امپدانس به حداقل می رسد. خازن سری C1 و سری L1، القاگر یک رزونانس سری ایجاد می کنند که برابر با مقاومت سری است.

بنابراین ، در این نقطه ی فرکانس رزونانس سری ، موارد زیر اتفاق می افتند:

1. امپدانس در مقایسه با سایر زمانهای فرکانس حداقل است.
2. امپدانس برابر است با مقاومت سری.
3. در زیر این نقطه، کریستال به عنوان یک شکل خازنی عمل می کند.

در مرحله بعد فرکانس تغییر می یابد و شیب به آرامی در فرکانس رزونانس موازی به حداکثر نقطه افزایش می یابد ، در این زمان قبل از رسیدن به فرکانس رزونانس موازی ، بلور به عنوان سلف سری عمل می کند.

پس از رسیدن به نقطه فرکانس موازی ، شیب مقاومت به حداکثر مقدار می رسد. خازن موازی C2 و سری های القاگر، مدار مخزن LC را ایجاد می کنند و بنابراین مقاومت امپدانس خروجی زیاد می شود.

اینگونه است که کریستال به صورت القاگر و یا مانند خازن رزونانس سری و موازی رفتار می کند. کریستال می تواند در هر دو فرکانس رزونانس کار کند اما همزمان نیست. برای اینکه کار کند، لازم است در هر مورد خاص تنظیم شود.

واکنش کریستال در برابر فرکانس

مقاومت سری مدار با استفاده از این فرمول می تواند اندازه گیری شود:

XS = R2 + (XL1 – XC1)2

در اینجا :

• R مقدار مقاومت است.
• XL₁   القاء سری از مدار است .
• XC₁ ظرفیت سری مدار است .

راکتانس خازنی موازی مدار به صورت زیرخواهد بود :

XCP = -1 / 2πfCp

راکتانس موازی مدار به صورت زیر خواهد بود:

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

اگر نمودار را ببینیم ، اینگونه خواهد بود:

همانطور که در نمودار بالا مشاهده کردیم که واکنش متقاطع سری در نقطه رزونانس سری به طور معکوس متناسب با C1 است ، در نقطه از fs تا fp کریستال به عنوان القایی عمل می کند زیرا در این مرحله دو ظرفیت موازی، ناچیز می شوند.

از طرف دیگر ، وقتی فرکانس خارج از نقاط fs و fp باشد ، کریستال به شکل خازنی خواهد بود.

ما می توانیم فرکانس سری رزونانس سری و فرکانس تشدید موازی را با استفاده از این دو فرمول محاسبه کنیم:

ضریب Q برای کریستال کوارتز

Q یک شکل کوتاه شده از کلمه ی Quality (به معنی کیفیت) است. این یک جنبه ی مهم از رزونانس کریستال کوارتز است. ضریب Q، پایداری فرکانس کریستال را مشخص می کند. در کل، ضریب Q کریستال در محدوده ی 20,000 تا بیش از 100,000 قرار دارد. بعضی مواقع ضریب Q یک کریستال، بیش از 200,000 نیز مشاهده می شود.

ضریب Q می تواند از طریق فرمول زیر محاسبه شود :

Q = XL / R = 2πfsL1 / R

Xl واکنش پذیری القاگر و R مقاومت است.

یک مثال برای نوسانگر کریستالی کوارتز

ما فرکانس رزونانس سری کریستال های کوارتز، فرکانس رزونانس موازی و ضریب کیفیت کریستال را محاسبه خواهیم کرد، زمانی که موارد زیر را داشته باشیم :

• R1 = 6.8R
• C1 = 0.09970pF
• L1 = 3mH
• C2 = 30pf

فرکانس رزونانس سری کریستال، به طریق زیر محاسبه می شود : = فرکانس رزونانس سری ها

فرکانس رزونانس موازی کریستال، fp به صورت زیر است: *fp فرکانس رزونانس موازی است*

اکنون ما در می یابیم که فرکانس روزنانس سری 9.20MHz و فرکانس رزونانس موازی 9.23MHz است.

ضریب Q این کریستال برابر است با :

انواع نوسانگر کریستال کوارتز

در این قسمت به طور کامل با انواع کریستال های نوسان ساز / نوسانگر آشنا میشویم.

نوسانگرهای کریستالی Colpitts

مدارهای نوسانگر کریستالی با استفاده از ترانزیستور دو قطبی یا انواع مختلف FETS ساخته شده اند.  در تصویر بالا نوسانگر colpitts نشان داده شده است.  از تقسیم ولتاژ خازن، برای بازخورد استفاده می شود.  ترانزیستور Q1 در پیکربندی امیتر مشترک است.  در مدار فوقانی از R1 و R2 برای بایاس کردن ترانزیستور استفاده می شود و C1 به عنوان خازن میان بر، جهت محافظت پایه در برابر نویزهای RF استفاده می شود.  در این پیکربندی ، کریستال به دلیل اتصال از جمع کننده به زمین ، به عنوان یک شنت (تغییر دهنده جهت) عمل می کند، این در پیکربندی رزونانس موازی است.  خازن C2 و C3 برای بازخورد استفاده می شود.  کریستال Q2 به عنوان مدار رزونانس موازی، متصل است.

حهت کسب اطلاعات بیشتر، اسیلاتور کولپیتس را مشاهده کنید.

تشدید خروجی در این پیکربندی، برای جلوگیری از اتلاف انرژی اضافی در کریستال کم است.

کریستال نوسان ساز Pierce

یکی دیگر از پیکربندی نوسانگر کریستال کوارتز،  جایی است که ترانزیستور برای تشدید به JFET تغییر داده می شود، جایی که وقتی کریستال با استفاده از یک خازن در Drain به Gate متصل می شود، JFET در امپدانس ورودی بسیار بالا قرار میگیرد.

در تصویر بالا یک مدار نوسانگر Pierce کریستال نشان داده شده است. C4 بازخورد لازم را در این مدار نوسانگر ارائه می دهد. این بازخورد، بازخوردی مثبت است که تغییر فازی 180 درجه، در فرکانس رزونانس است. R3 بازخورد را کنترل می کند و  کریستال، نوسان های لازم را ایجاد می کند. نوسانگر کریستالی Peirce، به حداقل تعداد اجزاء احتیاج دارد و به همین دلیل جایی که فضا محدود است بهتر است و ارجحیت دارد. در ساعت دیجیتالی، تایمر و انواع مختلف ساعت، از مدار نوسانگر کریستالی Peirce استفاده می شود. حداکثر دامنه ی موج سینوسی خروجی، به مقدار اوج، توسط محدوده ی ولتاژ JFET محدود شده است.

نوسانگر CMOS (اسیلاتور)

یک نوسانگر پایه که از پیکربندی کریستال با رزونانس موازی استفاده می کند، می تواند با استفاده از اینورتر (معکوس کننده) CMOS ، ساخته شود. اینورتر CMOS می تواند برای دستیابی به دامنه مورد نیاز استفاده شود. این شامل محرک Schmitt معکوس کننده مانند 4049 ، 0106 یا منطق ترانزیستور- ترانزیستور (TTL) تراشه 74HC19 و غیره است.

در تصویر بالا 74HC19N در پیکربندی معکوس کردن استفاده می شود که به عنوان ماشه (یا گیره) Schmitt عمل می کند. کریستال، نوسان لازم را در فرکانس رزونانس سری ارائه می دهد.  R1 مقاومت بازخورد برای CMOS است و ضریب Q ی بالایی با قابلیت های افزایشی بالا فراهم می کند. 74HC19N دوّم، تقویت کننده ای برای تولید خروجی کافی برای بار است.

اینورتر با خروجی فاز 180 درجه کار می کند و Q1، C2، C1 تغییر فاز 180 درجه ای اضافی را فراهم می کنند. در طی فرآیند نوسان، تغییر فاز همیشه 360 درجه باقی می ماند.

این نوسانگر کریستال CMOS خروجی موج مربعی را می سازد. حداکثر فرکانس خروجی، توسط ویژگی تعویض اینورتر CMOS تنظیم می شود. فرکانس خروجی را می توان با استفاده از مقدار خازن ها و مقدار مقاومت تغییر داد. C1 و C2 باید در مقادیر یکسان باشند.

تهیه ساعت برای میکروکنترلر ها با استفاده از کریستال

همانطور که استفاده ی متنوع و گوناگونی از نوسانگر کریستالی کوارتز، مثل ساعت های دیجیتالی ، تایمر و غیره می شود، همچنین این انتخاب مناسبی برای تهیه ی ساعت نوسان ساز پایدار، در میان ریز پردازنده و CPUS ها است.

ریزپردازنده و CPU برای عملکردشان به ورودی ساعت پایدار نیاز دارند. کریستال کوارتز به طور گسترده ای برای این منظور استفاده می گردد. کریستال کوارتز در مقایسه با سایر نوسانگرهای RC یا LC یا RLC دقت و ثبات بالایی را ارائه می دهد.

به طور کلی از فرکانس ساعتی که برای میکروکنترلر یا CPU استفاده می شود، در محدوده ی KHz تا MHz قرار دارد. این فرکانس ساعت، سرعت پردازنده ی داده ها را مشخص می کند.

برای دستیابی به این فرکانس، یک کریستال سری، با دو شبکه خازن با همان مقدار که در سراسر ورودی نوسانگر MCU یا CPU مربوطه استفاده می شوند، به کار برده می شود.

در این تصویر، می بینیم که یک کریستال با دو خازن، یک شبکه را تشکیل می دهد و در میان واحد میکروکنترلر یا واحد پردازش مرکزی، از طریق کد ورودی OSC1 و OSC2 متصل شده است. به طور کلی، تمام میکروکنترلرها یا پردازنده ها از این دو کد تشکیل می شوند. در برخی موارد، دو نوع کد OSC در دسترس است.  یکی برای نوسانگر اولیه، برای تولید ساعت و دیگری برای نوسانگر ثانویه است که برای سایر کارهای ثانویه، در جایی که فرکانس ساعت ثانویه مورد نیاز است استفاده می شود. مقدار خازن در محدوده ی 10pF تا 42 pF قرار دارد، هر خازنی در این محدوده است اما 15pF ، 22pF ، 33pF به طور گسترده تری مورد استفاده قرار می گیرند.