Quartz crystal oscillator

Sa aming nakaraang mga tutorial sa RC Phase Shift Oscillator at Wein Bridge Oscillator, nakakakuha kami ng patas na ideya tungkol sa kung ano ang isang Oscillator. Ang oscillator ay isang mekanikal o elektronikong konstruksyon na gumagawa ng osilasyon depende sa ilang mga variable. Ang isang wastong mabuting oscillator ay gumagawa ng dalas ng dalas.

Sa kaso ng RC (Resistor-Capacitor) o RLC (Resistor-Inductor-Capacitor) Oscillators, hindi sila mahusay na pagpipilian kung saan kailangan ang matatag at tumpak na mga oscillation. Ang mga pagbabago sa temperatura ay nakakaapekto sa linya ng pag-load at supply ng kuryente na nakakaapekto naman sa katatagan ng Oscillator circuit. Ang katatagan ay maaaring mapabuti sa isang tiyak na antas sa kaso ng RC at RLC circuit, ngunit ang pagpapabuti ay hindi sapat sa mga tukoy na kaso.

Sa ganitong sitwasyon, ginagamit ang Quartz Crystal. Ang quartz ay mineral na binubuo ng mga atom ng silikon at Oxygen. Ito ay tumutugon kapag ang isang mapagkukunan ng boltahe ay inilapat sa quartz crystal. Gumagawa ito ng isang katangian, nakilala bilang Piezo-electric effect. Kapag inilapat ang pinagmulan ng boltahe sa kabuuan nito, magbabago ang hugis nito at makagawa ng mga puwersang mekanikal, at ang mga pwersang mekanikal ay bumalik, at makagawa ng singil sa elektrisidad.

Tulad ng pag -convert nito ng enerhiya na elektrikal sa mekanikal at mekanikal sa elektrikal ito ay tinukoy bilang Transducers. Ang mga pagbabagong ito ay gumagawa ng napaka-matatag na panginginig ng boses, at bilang isang Piezo-electric na epekto ay gumagawa ng matatag na mga oscillation.

Ang Quartz Crystal at ang Katumbas na Circuit

Ito ang simbolo ng Crystal Oscillator. Ang quartz crystal ay gawa sa manipis na piraso ng quartz wafer na mahigpit na nilagyan at kinokontrol sa pagitan ng dalawang parallel metalized ibabaw. Ang mga metalized na ibabaw ay ginawa para sa mga koneksyon sa kuryente, at ang quartz pisikal na laki at density din ang kapal ay mahigpit na kinokontrol bilang mga pagbabago sa hugis at sukat na direktang epekto sa dalas ng osilosasyon. Kapag ito ay hugis at kontrolado, ang dalas na ginawa ay naayos, ang pangunahing dalas ay hindi maaaring mabago sa iba pang mga frequency. Ang tukoy na dalas na ito para sa tukoy na kristal ay tinatawag na dalas ng katangian.

Sa itaas na imahe, ang kaliwang circuit ay kumakatawan sa katumbas na circuit ng Quartz Crystal, na ipinakita sa kanang bahagi. Tulad ng nakikita natin, 4 na mga passive na bahagi ang ginagamit, dalawang capacitor C1 at C2 at isang Inductor L1, Resistor R1. Ang C1, L1, R1 ay konektado sa serye at ang C2 ay konektado sa kahanay.

Ang serye ng circuit na binubuo ng isang kapasitor, isang risistor at isang inductor, ay sumasagisag sa kinokontrol na pag-uugali at matatag na pagpapatakbo ng Crystal at ang parallel capacitor, ang C2 ay kumakatawan sa parallel capacitance ng circuit o ng katumbas na kristal.

Sa dalas ng operating ang C1 ay tumutunog sa inductance L1. Ang dalas ng operating na ito ay tinukoy bilang dalas ng mga kristal na serye (fs). Dahil sa dalas ng serye na ito ang isang pangalawang dalas na punto ng dalas na kinikilala na may parallel resonance. Ang L1 at C1 ay tumutunog din sa parallel capacitor C2. Ang parallel Capacitor C2 ay madalas na naglalarawan bilang pangalan ng C0 at tinawag na Shunt Capacitance ng isang Quartz Crystal.

Ang Crystal Output Impedance laban sa Frequency

Kung ilalapat namin ang formula ng reaktibo sa dalawang capacitor, kung gayon, para sa serye ng capacitor na C1, ang capacitive reactance ay: -

X _C1 = 1 / 2πfC ₁

Kung saan, F = Dalas at C1 = halaga ng capacitance ng serye.

Nalalapat ang parehong formula para sa Parallel capacitor din, ang capacitive reactance ng parallel capacitor ay: -

X _C2 = 1 / 2πfC ₂

Kung nakita namin ang graph ng relasyon sa pagitan ng Output impedance vs Frequency makikita namin ang mga pagbabago sa impedance.

Sa itaas na imahe nakikita natin ang impedance curve ng kristal oscillator at nakikita din iyon, kung paano nagbabago ang slope na ito kapag nagbago ang dalas. Mayroong dalawang puntos na isa ay serye ng resonant frequency point at ang isa pa ay parallel na resonant frequency point.

Sa serye ng resonant frequency point ang impedance ay naging minimum. Ang serye ng capacitor na C1 at ang serye na Inductor L1 ay lumilikha ng isang resonance ng serye na katumbas ng resistor ng serye.

Kaya, sa seryeng ito ng resonant frequency point, ang mga sumusunod na bagay ay magaganap: -

1. Ang Impedance ay pinakamaliit kung ihahambing sa iba pang mga oras ng dalas.
2. Ang imppedance ay katumbas ng resistor ng serye.
3. Sa ibaba ng puntong ito ang kristal ay kumikilos bilang isang capacitive form.

Susunod na binago ang dalas at ang slope ay dahan-dahang tumaas sa maximum point sa parallel na resonant frequency, sa oras na ito, bago maabot ang parallel na resonant frequency point na ang kristal ay kumikilos bilang isang inductor ng serye.

Matapos maabot ang parallel frequency point ang impedance slope ay umabot sa maximum na halaga. Ang parallel capacitor C2 at ang Series Inductor ay lumilikha ng isang LC tank circuit at sa gayon ang output impedance ay naging mataas.

Ito ay kung paano kumikilos ang kristal bilang inductor o tulad ng isang kapasitor sa serye at parallel resonance. Maaaring gumana ang Crystal sa parehong mga frequency ng resonance na ito ngunit hindi sa parehong oras. Ito ay kailangang maging tune sa anumang tukoy na isa upang gumana.

Reactance ng Crystal laban sa Frequency

Ang serye ng Reactance ng circuit ay maaaring masukat gamit ang formula na ito: -

X _S = R2 + (XL ₁ - XC ₁) ²

Kung saan, ang R ay ang halaga ng paglaban

Ang Xl1 ay ang serye na inductance ng circuit

Ang Xc1 ay ang serye ng capacitance ng circuit.

Ang parallel capacitive reactance ng circuit ay magiging: -

X _CP = -1 / 2πfCp

Ang parallel reactance ng circuit ay magiging: -

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

Kung nakikita natin ang grapeng magiging ganito ang hitsura: -

Tulad ng nakikita natin sa itaas na grap na ang reaktibo ng serye sa punto ng resonance ng serye ay baligtad na proporsyonal sa C1, sa puntong mula fs hanggang sa fp na ang kristal na kumilos bilang inductive dahil sa puntong ito, ang dalawang magkatulad na capacitance ay naging napapabayaan.

Sa kabilang banda, ang kristal ay magiging nasa capacitive form kapag ang dalas ay nasa labas ng mga fs at fp point.

Maaari nating kalkulahin ang Frequency ng Series Resonant at dalas ng Parallel Resonant gamit ang dalawang formula na ito -

Q Factor para sa kristal na Quartz:

Ang Q ay ang maikling form ng Kalidad. Ito ay isang mahalagang aspeto ng quartz crystal resonance. Tinutukoy ng kadahilanan ng Q ang katatagan ng dalas ng Crystal. Sa pangkalahatan, ang Q factor ng isang kristal ay may saklaw mula 20, 000 hanggang sa higit sa 100,000. Minsan, ang Q factor ng isang kristal ay higit sa 200,000 na napapansin din.

Ang Q factor ng isang kristal ay maaaring kalkulahin gamit ang sumusunod na formula -

Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R

Kung saan, X _L ay inductor Reactance at R ang Paglaban.

Halimbawa ng Quartz Crystal Oscillator na may Pagkalkula

Kalkulahin namin ang isang daloy ng quartz crystals na resonant frequency, parallel frequency resonant at ang Quality factor ng kristal kapag magagamit ang mga sumusunod na point-

R1 = 6.8R

C1 = 0.09970pF

L1 = 3mH

At C2 = 30pF

Serye ng resonant dalas ng kristal ay -

Ang parallel na resonant frequency ng Crystal, fp ay -

Ngayon, naiintindihan natin na ang dalas ng resonant frequency ay 9.20 MHz at ang parallel frequency resonant frequency ay 9.23 MHz

Ang Q factor ng kristal na ito ay magiging-

Colpitts Crystal Oscillator

Ang Crystal oscillator circuit ay itinayo gamit ang bipolar transistor o iba't ibang uri ng FETs. Sa itaas na imahe, ipinakita ang isang colpitts oscillator; ang capacitive voltage divider ay ginagamit para sa feedback. Ang transistor Q1 ay nasa pangkaraniwang pagsasaayos ng emitter. Sa itaas na circuit R1 at R2 ay ginagamit para sa biasing ng transistor at ang C1 ay ginagamit bilang bypass capacitor na nagpoprotekta sa base mula sa mga ingay ng RF.

Sa pagsasaayos na ito, ang kristal ay kikilos bilang isang shunt dahil sa koneksyon mula sa kolektor patungo sa lupa . Ito ay nasa parallel resonant config. Ang Capacitor C2 at C3 ay ginagamit para sa feedback. Ang kristal Q2 ay konektado bilang parallel resonant circuit.

Ang output amplification ay mababa sa pagsasaayos na ito para maiwasan ang labis na pagwawaldas ng kuryente sa kristal.

Pierce Crystal Oscillator

Ang isa pang pagsasaayos na ginamit sa quartz crystal oscillator, kung saan ang Transistor ay binago sa isang JFET para sa amplification kung saan ang JFET ay nasa napakataas na impedances ng pag-input kapag ang kristal ay konektado sa Drain to Gate gamit ang isang capacitor.

Sa itaas na imahe ay ipinakita ang isang circuit ng Pierce Crystal Oscillator. Nagbibigay ang C4 ng kinakailangang puna sa oscillator circuit na ito. Ang feedback na ito ay positibong feedback na kung saan ay 180 degree phase shift sa resonant frequency. Kontrolin ng R3 ang puna at ang kristal ay nagbibigay ng kinakailangang pag-oscillation.

Ang Pierce crystal oscillator ay nangangailangan ng minimum na bilang ng mga bahagi at dahil dito ito ay isang lalong kanais-nais na pagpipilian kung saan limitado ang puwang. Ang digital na orasan, timer, at iba't ibang uri ng mga Relo ay gumagamit ng pierce crystal oscillator circuit. Ang Output sine wave amplitude na rurok sa rurok na halaga ay limitado ng saklaw ng boltahe ng JFET.

CMOS Oscillator

Ang isang pangunahing oscillator na gumagamit ng parallel-resonant na pagsasaayos ng kristal ay maaaring gawin gamit ang CMOS inverter. Maaaring magamit ang inverter ng CMOS para sa pagkamit ng kinakailangang amplitude. Binubuo ito ng pagpalit ng Schmitt gatilyo tulad ng 4049, 40106 o Transistor-Transistor logic (TTL) chip 74HC19 atbp.

Sa itaas na imahe 74HC19N ginamit kung aling kumikilos bilang isang Schmitt gatilyo sa pagbabaligtad ng pagsasaayos. Magbibigay ang kristal ng kinakailangang pag-oscillation sa dalas ng resonance frequency. Ang R1 ay ang resistor ng feedback para sa CMOS at nagbibigay ng mataas na kadahilanan ng Q na may mataas na mga kakayahan na makakuha. Ang pangalawang 74HC19N ay booster upang magbigay ng sapat na output para sa load.

Ang inverter ay nagpapatakbo sa 180 degree phase shift output at ang Q1, C2, C1 ay nagbibigay ng karagdagang 180 degree phase shift. Sa panahon ng proseso ng pag-oscillation, ang phase shift ay laging mananatiling 360 degree.

Ang CMOS crystal oscillator na ito ay nagbibigay ng square wave output. Ang maximum na dalas ng output ay naayos ng katangian ng paglipat ng inverter ng CMOS. Ang dalas ng output ay maaaring mabago gamit ang halaga ng Capacitors at ang halaga ng Resistor. Ang C1 at C2 ay kailangang magkapareho sa mga halaga.

Pagbibigay ng Orasan sa Microprocessor gamit ang Mga Kristal

Tulad ng iba't ibang paggamit ng quartz crystal oscillator na may kasamang mga Digital na relo, timer atbp, angkop din ito na pagpipilian para sa pagbibigay ng matatag na oscillation na orasan sa buong microprocessor at mga CPU.

Ang microprocessor at CPU ay nangangailangan ng matatag na input ng orasan para sa operasyon. Ang kristal na kuwarts ay malawakang ginagamit para sa mga hangaring ito. Ang quartz crystal ay nagbibigay ng mataas na kawastuhan at katatagan kumpara sa ibang mga oscillator ng RC o LC o RLC.

Sa pangkalahatan ang dalas ng orasan ay ginagamit para sa microcontroller o ang CPU ay saklaw mula sa KHz hanggang Mhz. Tinutukoy ng dalas ng orasan kung gaano kabilis ang proseso ng data ng processor.

Upang makamit ang dalas na ito isang serye ng kristal na ginamit na may dalawang parehong halaga ng mga capacitor network ay ginagamit sa buong oscillator input ng kani-kanilang MCU o CPU.

Sa imaheng ito, makikita natin na ang isang Crystal na may dalawang capacitor ay bumubuo ng isang network at nakakonekta sa buong unit ng Microcontroller o Central processing unit sa pamamagitan ng OSC1 at OSC2 input pin. Pangkalahatan lahat ng microcontroller o processor ay binubuo ng dalawang pin na ito. Sa ilang mga kaso mayroong dalawang uri ng mga OSC pin na magagamit. Ang isa ay para sa pangunahing oscillator para sa pagbuo ng orasan at iba pa para sa pangalawang oscillator na ginagamit para sa iba pang mga pangalawang gawain kung saan kinakailangan ang pangalawang dalas ng orasan. Saklaw ang halaga ng capacitor mula 10pF hanggang 42 pF, anuman ang nasa pagitan ngunit 15pF, 22pF, 33pF ay malawakang ginagamit.