Kuvars Kristal Osilatörler

Kuvars Kristal Osilatörü diğer osilatör türlerinden ayıran oldukça önemli bir farkı vardır.

Herhangi bir osilatörün en önemli özelliklerinden biri, frekans kararlılığı, diğer bir deyişle, değişen yük koşulları altında sabit bir frekans çıkışı sağlama yeteneğidir.

Bir osilatörün frekans kararlılığını etkileyen faktörlerden bazıları genellikle şunları içerir: sıcaklıktaki değişiklikler, yükteki değişiklikler ve ayrıca DC güç kaynağı voltajındaki değişikliklerden birkaçı.

Çıkış sinyalinin frekans kararlılığı, amplifikatör de dahil olmak üzere rezonans geri besleme devresi için kullanılan bileşenlerin doğru seçimiyle büyük ölçüde iyileştirilebilir. Ancak normal LC ve RC tank devrelerinden elde edilebilecek stabilitenin bir sınırı vardır.

Çok yüksek düzeyde bir osilatör kararlılığı elde etmek için, genellikle kuvars kristali osilatörü (XO ya da XTAL) olarak bilinen başka tipte osilatör devresi üretmek için frekans belirleme cihazı olarak bir kuvars kristali kullanılır.

Küçük, ince bir kuvars kristali parçasına bir voltaj kaynağı uygulandığında, Piezo-elektrik etkisi olarak bilinen bir özelliği üreterek şekil değiştirmeye başlar. Bu Piezo-elektrik Etkisi, bir elektrik yükünün kristalin şeklini değiştirerek mekanik bir kuvvet ürettiği bir kristalin özelliğidir ve tam tersi, kristale uygulanan mekanik bir kuvvet bir elektrik yükü üretir.

Daha sonra, piezo-elektrik cihazlar, bir tür enerjiyi diğerinin enerjisine (elektrikten mekanik veya mekanikten elektriğe) dönüştürdükleri için dönüştürücüler olarak sınıflandırılabilir. Bu piezo-elektrik etkisi, önceki osilatörlerde standart LC tank devresini değiştirmek için kullanılabilecek mekanik titreşimler veya salınımlar üretir.

Elektronik devreler için en önemlileri kısmen daha büyük mekanik mukavemetlerinden dolayı kuvars mineralleri olmak üzere osilatör olarak kullanılabilecek birçok farklı kristal madde türü vardır.

Bir kuvars kristal osilatöründe kullanılan kuvars kristali, gerekli elektrik bağlantılarını yapmak için iki paralel yüzeyi metalize edilmiş, çok küçük, ince bir parça veya kesilmiş kuvars levhasıdır. Bir kuvars kristal parçasının fiziksel boyutu ve kalınlığı, salınımların nihai veya temel frekansını etkilediğinden üretim esnasında ciddi bir şekilde kontrol edilir. Temel frekans genellikle kristallerin “karakteristik frekansı” olarak adlandırılır.

Kesilip şekillendirildikten sonra kristal başka bir frekansta kullanılamaz. Başka bir deyişle, boyutu ve şekli temel salınım frekansını belirler.

Kristallerin frekansı, iki metalize yüzey arasındaki fiziksel kalınlığı ile ters orantılıdır. Mekanik olarak titreşen bir kristal, aşağıda gösterildiği gibi düşük dirençli R, büyük bir endüktans L ve küçük kapasitans C’den oluşan eşdeğer bir elektrik devresi ile temsil edilebilir.

Kuvars kristali için eşdeğer elektrik devresi, kristalin elektriksel bağlantılarını temsil eden bir kapasitansa paralel olarak kristalin mekanik titreşimlerini temsil eden bir seri RLC devresini gösterir. Kuvars kristal osilatörleri “seri rezonanslarına” doğru çalışma eğilimindedir.

Kristalin eşdeğer empedansı, Cs’nin kristallerin çalışma frekansında Ls endüktans ile rezonansa girdiği bir seri rezonansa sahiptir. Bu frekansa kristal serisi frekansı, ƒs denir. Bu seri frekansın yanı sıra gösterildiği gibi Ls ve Cs paralel kondansatör Cp ile rezonansa girdiğinde oluşan paralel rezonans sonucunda oluşan ikinci bir frekans noktası vardır.

Frekansa Karşı Kristal Empedans

Yukarıdaki kristal empedansının eğimi, terminaller boyunca frekans arttıkça bunu gösterir. Belirli bir frekansta, seri kapasitör Cs ile indüktör Ls arasındaki etkileşim, kristal empedansını minimuma indiren ve Rs’ye eşit olan bir seri rezonans devresi oluşturur. Bu frekans noktasına kristal serisi rezonans frekansı ƒs denir ve ƒs’nin altında kristal kapasitiftir.

Frekans bu seri rezonans noktasının üzerine çıktıkça, frekans paralel rezonans frekansına ƒp ulaşana kadar kristal bir indüktör gibi davranır. Bu frekans noktasında, seri indüktör, Ls ve paralel kondansatör, Cp arasındaki etkileşim, paralel ayarlanmış bir LC tank devresi oluşturur ve bu nedenle kristal boyunca empedans maksimum değerine ulaşır.

O zaman bir kuvars kristalinin, kristalin kesimine bağlı olarak ikisi arasındaki çok küçük farkla iki farklı frekansta salınan bir dizi ve paralel ayarlanmış rezonans devrelerinin bir kombinasyonu olduğunu görebiliriz. Ayrıca, kristal kendi seri veya paralel rezonans frekanslarında çalışabileceğinden, her ikisini birlikte kullanamayacağınız için bir kristal osilatör devresinin bir veya diğer frekansa ayarlanması gerekir.

Devre özelliklerine bağlı olarak, bir kuvars kristali bir kapasitör, bir indüktör, bir seri rezonans devresi veya bir paralel rezonans devresi olarak hareket edebilir ve bunu daha açık bir şekilde göstermek için, gösterildiği gibi kristallerin frekansa karşı reaktansını da çizebiliriz.

Frekansa Karşı Kristal Reaktansı

Yukarıdaki frekansa karşı reaktansın eğimi, ƒs frekansındaki seri reaktansın Cs ile ters orantılı olduğunu gösterir çünkü ƒs’nin altında ve ƒp’nin üstünde kristal kapasitif görünür. ƒs ve ƒp frekansları arasında, iki paralel kapasitans birbirini götürürken kristal endüktif görünür.

Daha sonra kristal serisi rezonans frekansının formülü, ƒs şu şekilde verilir:

Paralel rezonans frekansı, ƒp, seri LC bacağının reaktansı paralel kapasitörün Cp reaktansına eşit olduğunda oluşur ve şu şekilde verilir:

Kuvars Kristal Osilatör Soru Örneği 1

Bir kuvars kristali şu değerlere sahiptir: Rs = 6.4Ω, Cs = 0.09972pF ve Ls = 2.546mH. Terminalindeki kapasitans, Cp 28.68pF’de ölçülürse, Kristalin temel salınım frekansını ve ikincil rezonans frekansını hesaplayın.

Kristaller serisi rezonans frekansı, ƒS:

Kristalin paralel rezonans frekansı, ƒP:

Kristalin temel frekansı olan ƒs ile ƒp arasındaki farkın yaklaşık 18kHz’den (10.005MHz – 9.987MHz) küçük olduğunu görebiliriz. Ancak bu frekans aralığında, kristalin endüktansı kapasitif veya dirençli değerlerinden çok daha yüksek olduğu için kristalin Q faktörü (Kalite Faktörü) son derece yüksektir. Seri rezonans frekansında kristalimizin Q faktörü şu şekilde verilir:

O zaman kristal örneğimizin Q faktörü, yaklaşık 25.000, bu yüksek XL/R oranından kaynaklanmaktadır. Çoğu kristalin Q faktörü, daha önce incelediğimiz ve 1000’den çok daha az olacak olan iyi bir LC ayarlı tank devresine kıyasla 20.000 ila 200.000 arasındadır. Bu yüksek Q faktörü değeri, kristalin çalışma frekansında daha yüksek frekans kararlılığına da katkıda bulunur ve bu da onu kristal osilatör devreleri oluşturmak için ideal hale getirir.

Böylece, bir kuvars kristalinin, elektrikle ayarlanmış bir LC tank devresininkine benzer bir rezonans frekansına sahip olduğunu, ancak çok daha yüksek bir Q faktörüne sahip olduğunu gördük. Bu, esas olarak düşük seri direncinden kaynaklanmaktadır, Rs. Sonuç olarak, kuvars kristalleri osilatörlerde, özellikle de çok yüksek frekanslı osilatörlerde kullanım için mükemmel bir bileşen seçimidir.

Tipik kristal osilatörler, devre konfigürasyonlarına ve kullanılan yükseltici cihaza bağlı olarak yaklaşık 40 kHz’den 100 MHz’e kadar salınım frekanslarında değişebilir. Kristalin kesimi ayrıca, bazı kristaller birden fazla frekansta titreşerek üst ton adı verilen ek salınımlar üreteceği için nasıl davranacağını da belirler.

Ayrıca, kristal paralel veya tekdüze bir kalınlığa sahip değilse, hem temel frekansı üreten hem de ikinci veya üçüncü harmonikler gibi harmonikleri üreten iki veya daha fazla rezonans frekansına sahip olabilir.

Genel olarak, bir kuvars kristali için temel salınım frekansı, etrafındaki ikincil harmoniklerden çok daha güçlü veya belirgin olsa da, kullanılan bu olacaktır. Yukarıdaki grafiklerde bir kristal eşdeğer devresinin üç reaktif bileşeni, iki kapasitör artı bir indüktörü olduğunu gördük, bu nedenle iki rezonans frekansı vardır, en düşük seri rezonans frekansı ve en yüksek paralel rezonans frekansıdır.

Önceki derslerde, bir amplifikatör devresinin, bire eşit veya daha büyük bir döngü kazancına sahip olması ve geri beslemenin pozitif olması durumunda salınacağını gördük. Bir Kuvars Kristal Osilatör devresinde, kristal kendisine bir voltaj kaynağı uygulandığında her zaman salınmak istediği için kristallerin temel paralel rezonans frekansında salınır.

Bununla birlikte, bir kristal osilatörü temel frekansın (2., 4., 8. vb.) herhangi bir çift harmoniğine “ayarlamak” da mümkündür ve bunlar genellikle Harmonik Osilatörler olarak bilinirken, Üst Ton Osilatörleri temel frekansın tek katlarında titreşir. , 3., 5., 11. vb.). Genel olarak, yüksek ton frekanslarında çalışan kristal osilatörler, seri rezonans frekanslarını kullanarak bunu yapar.

Colpitts Kuvars Kristal Osilatör

Kristal osilatör devreleri genellikle bipolar transistörler veya FET’ler kullanılarak oluşturulur. Bunun nedeni, işlemsel yükselteçlerin birçok farklı düşük frekanslı (≤100kHz) osilatör devrelerinde kullanılabilmesine rağmen, işlemsel yükselteçlerin 1MHz’in üzerindeki kristallere uygun daha yüksek frekanslarda başarılı bir şekilde çalışacak bant genişliğine sahip olmamasıdır.

Bir Kristal Osilatörün tasarımı, geri besleme salınımlarını sağlayan LC tank devresinin aşağıda gösterildiği gibi bir kuvars kristali ile değiştirilmesi dışında, önceki derste incelediğimiz Colpitts Osilatörünün tasarımına çok benzer.

Bu tip Kristal Osilatörler, ortak bir kollektör (yayıcı-takipçi) amplifikatörü etrafında tasarlanmıştır. R₁ ve R₂ direnç ağı, Tabandaki DC öngerilim seviyesini ayarlarken, emitör direnci R_E çıkış voltajı seviyesini ayarlar. Direnç R₂, paralel bağlı kristale yüklenmeyi önlemek için mümkün olduğunca büyük ayarlanır.

Transistör, bir 2N4265, ortak bir toplayıcı konfigürasyonunda bağlanan genel amaçlı bir NPN transistörüdür ve yaklaşık 1MHz ile 5MHz arasında olabilen kristallerin temel frekansının oldukça üzerinde, 100Mhz’yi aşan anahtarlama hızlarında çalışabilir.

Colpitts Kristal Osilatör devresinin yukarıdaki devre şeması, C₁ ve C₂ kapasitörlerinin, geri besleme sinyalini azaltan transistörün çıkışını şönt ettiğini göstermektedir. Bu nedenle, transistörün kazancı, C₁ ve C₂‘nin maksimum değerlerini sınırlar. Kristalde aşırı güç kaybını önlemek için çıkış genliği düşük tutulmalıdır, aksi takdirde aşırı titreşim ile kendini yok edebilir.

Pierce (Delme) Osilatörü

Kuvars kristal osilatörün diğer bir yaygın tasarımı, Pierce Osilatörünün tasarımıdır. Pierce osilatörü, tasarım olarak önceki Colpitts osilatörüne çok benzer ve geri besleme devresinin bir parçası olarak bir kristal kullanarak kristal osilatör devrelerini uygulamak için çok uygundur.

Pierce osilatörü, temel olarak, ana yükseltme cihazı için bir JFET kullanan bir seri rezonans ayarlı devredir (Colpitts osilatörünün paralel rezonans devresinden farklı olarak), çünkü FET’ler, Kanal ve Kapı arasına kondansatör C₁ aracılığıyla bağlanan kristal ile çok yüksek giriş empedansları sağlar. aşağıda gösterilen.

Bu basit devrede, kristal salınımların frekansını belirler ve seri rezonans frekansında çalışır, ƒs çıkış ve giriş arasında düşük bir empedans yolu verir. Rezonansta 180^o faz kayması var, bu da geri beslemeyi olumlu yapıyor. Çıkış sinüs dalgasının genliği, kanal terminalindeki maksimum voltaj aralığıyla sınırlıdır.

Direnç, R₁ geri besleme miktarını kontrol eder ve kristal sürücü, radyo frekansındaki voltaj boğulurken, RFC her döngüde tersine döner. Çoğu dijital saat, saat ve zamanlayıcı, minimum bileşen kullanılarak uygulanabileceği için Pierce Osilatörü kullanır.

Transistörleri ve FET’leri kullanmanın yanı sıra, kazanç elemanı olarak bir CMOS invertör kullanarak Pierce osilatörünün çalışmasına benzer basit bir temel paralel rezonanslı kristal osilatör de oluşturabiliriz. Temel kuvars kristal osilatörü, TTL 74HC19 veya CMOS 40106, 4049 türleri gibi tek bir ters çeviren Schmitt tetik mantık kapısından, bir endüktif kristalden ve iki kapasitörden oluşur. Bu iki kapasitör, kristallerin yük kapasitansının değerini belirler. Seri direnç, kristaldeki sürücü akımını sınırlamaya yardımcı olur ve ayrıca evirici çıkışını kapasitör-kristal ağı tarafından oluşturulan karmaşık empedanstan yalıtır.

CMOS Kristal Osilatör

Kristal, seri rezonans frekansında salınım yapar. CMOS evirici başlangıçta geri besleme direnci R1 tarafından çalışma bölgesinin ortasına bastırılır. Bu, inverterin Q noktasının yüksek kazançlı bir bölgede olmasını sağlar. Burada 1MΩ değerinde bir direnç kullanılır, ancak değeri 1MΩ’den büyük olduğu sürece sorun yoktur. Osilatörden bağlı yüke çıkışı tamponlamak için ek bir invertör kullanılır.

İnverter 180^o faz kayması ve kristal kondansatör ağı salınım için gereken ek 180^o ‘yi sağlar. CMOS kristal osilatörünün avantajı, salınım için bu 360^o faz kaymasını korumak için kendini her zaman otomatik olarak yeniden ayarlamasıdır.

Sinüzoidal çıkış dalga formu üreten önceki transistör tabanlı kristal osilatörlerin aksine, CMOS İnverter osilatörü dijital mantık kapıları kullandığından çıkış YÜKSEK ve DÜŞÜK arasında salınan bir kare dalgadır. Doğal olarak maksimum çalışma frekansı, kullanılan mantık geçidinin anahtarlama özelliklerine bağlıdır.

Mikroişlemciler ve Kristal Osilatörler

Kuvars Kristal Osilatör eğitimini Mikroişlemciler ile kullanılan kristal osilatörlerden bahsetmeden bitiremeyiz. Hemen hemen tüm mikroişlemciler, mikro denetleyiciler, PIC’ler ve CPU’lar genellikle saat dalga biçimlerini oluşturmak için frekans belirleme cihazı olarak bir Kuvars Kristal Osilatör kullanarak çalışır, çünkü zaten bildiğimiz gibi, kristal osilatörler direnç kapasitöre kıyasla en yüksek doğruluk ve frekans kararlılığını sağlar. Ayrıca buradan standalone Arduino devresine bakarak konu hakkında yeterli bilgiye sahip olabilirsiniz.

CPU saati, işlemcinin 1MHz saat hızına sahip bir mikroişlemci, PIC veya mikro denetleyici ile verileri ne kadar hızlı çalıştırabileceğini ve işleyebileceğini belirler, her saat döngüsünde saniyede bir milyon kez verileri dahili olarak işleyebileceği anlamına gelir. Genellikle bir mikroişlemci saat dalga biçimi üretmek için gereken tek şey bir kristal ve aşağıda gösterildiği gibi 15 ila 33pF arasında değişen değerlere sahip iki seramik kapasitördür.

Çoğu mikroişlemci, mikro denetleyici ve PIC’de, harici bir kuvars kristal devresine, standart RC osilatör ağına ve hatta bir seramik rezonatöre bağlanmak için OSC1/XTAL1 ve OSC2/XTAL2 etiketli iki osilatör girişi bulunur. Bu tip mikroişlemci uygulamasında Kuvars Kristal Osilatör, temel frekansı kristalin kendisi tarafından kontrol edilen bir sürekli kare dalga darbeleri dizisi üretir. Bu temel frekans, işlemci cihazını kontrol eden talimatların akışını düzenler. Örneğin, ana saat ve sistem zamanlaması.

Kuvars Kristal Osilatör Soru Örneği 2

Bir kuvars kristali kesildikten sonra şu değerlere sahiptir: Rs = 1kΩ, Cs = 0.05pF, Ls = 3H ve Cp = 10pF. Kristal serilerini ve paralel salınım frekanslarını hesaplayın.

Seri salınım frekansı şu şekilde hesaplanır:

Paralel salınım frekansı şu şekilde hesaplanır:

O zaman kristal için salınım frekansı 411kHz ile 412kHz arasında olacaktır.