Кварцевый кварцевый генератор

В наших предыдущих уроках RC Phase Shift Oscillator и Wein Bridge Oscillator мы получили четкое представление о том, что такое осциллятор. Осциллятор - это механическая или электронная конструкция, которая производит колебания в зависимости от нескольких переменных. Собственно хороший генератор производит стабильную частоту.

В случае генераторов RC (резистор-конденсатор) или RLC (резистор-индуктор-конденсатор) они не подходят там, где необходимы стабильные и точные колебания. Изменения температуры влияют на нагрузку и линию питания, что, в свою очередь, влияет на стабильность цепи осциллятора. Стабильность может быть улучшена до определенного уровня в случае схемы RC и RLC, но все же улучшения недостаточно в конкретных случаях.

В такой ситуации используется кварцевый кристалл. Кварц - минерал, состоящий из атомов кремния и кислорода. Он реагирует, когда источник напряжения подается на кристалл кварца. Он создает характеристику, называемую пьезоэлектрическим эффектом. Когда к нему приложен источник напряжения, он изменит форму и создаст механические силы, а механические силы вернутся обратно и произведут электрический заряд.

Поскольку он преобразует электрическую энергию в механическую, а механическую в электрическую, он называется преобразователями. Эти изменения производят очень стабильную вибрацию, а пьезоэлектрический эффект производит стабильные колебания.

Кварцевый кристалл и его эквивалентная схема

Это символ Кристального Осциллятора. Кристалл кварца сделан из тонкого куска кварцевой пластины, плотно прилегающей и контролируемой между двумя параллельными металлизированными поверхностями. Металлизированные поверхности предназначены для электрических соединений, а физический размер и плотность кварца, а также толщина строго контролируются, поскольку изменения формы и размера напрямую влияют на частоту колебаний. После того, как он сформирован и контролируется, производимая частота становится фиксированной, основная частота не может быть изменена на другие частоты. Эта конкретная частота для конкретного кристалла называется характеристической частотой.

На верхнем изображении левая схема представляет собой эквивалентную схему кварцевого кристалла, показанную справа. Как мы видим, используются 4 пассивных компонента, два конденсатора C1 и C2 и один индуктор L1, резистор R1. C1, L1, R1 подключены последовательно, а C2 подключены параллельно.

Последовательная цепь, состоящая из одного конденсатора, одного резистора и одной катушки индуктивности, символизирует контролируемое поведение и стабильную работу кристалла и параллельного конденсатора, C2 представляет собой параллельную емкость цепи или эквивалентного кристалла.

На рабочей частоте C1 резонирует с индуктивностью L1. Эта рабочая частота называется последовательной частотой кристалла (fs). Благодаря этой последовательной частоте точка вторичной частоты распознается с параллельным резонансом. L1 и C1 также резонируют с параллельным конденсатором C2. Параллельный конденсатор C2 часто называют именем C0 и называют шунтирующей емкостью кристалла кварца.

Выходной импеданс кристалла в зависимости от частоты

Если мы применим формулу реактивного сопротивления к двум конденсаторам, то для последовательного конденсатора C1 емкостное реактивное сопротивление будет:

Х _С1 = 1 / 2πfC ₁

Где, F = частота и C1 = значение последовательной емкости.

Та же формула применима и для параллельного конденсатора, емкостное реактивное сопротивление параллельного конденсатора будет: -

Х _С2 = 1 / 2πfC ₂

Если мы увидим график зависимости выходного импеданса от частоты, мы увидим изменения импеданса.

На верхнем изображении мы видим кривую импеданса кварцевого генератора, а также видим, как этот наклон изменяется при изменении частоты. Есть две точки: одна - точка последовательной резонансной частоты, а другая - параллельная точка резонансной частоты.

В точке последовательной резонансной частоты импеданс становится минимальным. Последовательный конденсатор C1 и последовательный индуктор L1 создают последовательный резонанс, равный последовательному резистору.

Итак, в этой точке последовательной резонансной частоты произойдет следующее:

1. Импеданс минимален по сравнению с другими временами частоты.
2. Импеданс равен последовательному резистору.
3. Ниже этой точки кристалл действует как емкостная форма.

Затем частота изменяется, и крутизна медленно увеличивается до максимальной точки на параллельной резонансной частоте, в это время, до достижения точки параллельной резонансной частоты, кристалл действует как последовательный индуктор.

После достижения точки параллельной частоты наклон импеданса достигает максимального значения. Параллельный конденсатор C2 и последовательный индуктор образуют цепь LC-резервуара, и, таким образом, выходное сопротивление становится высоким.

Вот как кристалл ведет себя как индуктор или как конденсатор в последовательном и параллельном резонансах. Кристалл может работать на этих обеих резонансных частотах, но не одновременно. Для работы нужно настроиться на какой-то конкретный.

Реактивность кристалла в зависимости от частоты

Последовательное реактивное сопротивление цепи можно измерить по следующей формуле:

Х _S = R2 + (XL ₁ - XC ₁) ²

Где, R - значение сопротивления

Xl1 - последовательная индуктивность цепи

Xc1 - последовательная емкость цепи.

Параллельное емкостное реактивное сопротивление цепи будет: -

X _CP = -1 / 2πfCp

Параллельное реактивное сопротивление цепи будет: -

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

Если мы увидим график, он будет выглядеть так: -

Как мы видим на верхнем графике, последовательное реактивное сопротивление в точке последовательного резонанса обратно пропорционально C1, в точке от fs до fp кристалл действует как индуктивный, потому что в этой точке две параллельные емкости становятся незначительными.

С другой стороны, кристалл будет иметь емкостную форму, когда частота будет вне точек fs и fp.

Мы можем рассчитать частоту последовательного резонанса и частоту параллельного резонанса, используя эти две формулы:

Q-фактор для кристалла кварца:

Q - это краткая форма качества. Это важный аспект резонанса кристаллов кварца. Эта добротность определяет стабильность частоты кристалла. Обычно добротность кристалла находится в диапазоне от 20 000 до более 100 000. Иногда также наблюдается добротность кристалла более 200000.

Добротность кристалла можно рассчитать по следующей формуле -

Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R

Где X _L - реактивное сопротивление индуктора, а R - сопротивление.

Пример кварцевого генератора с расчетом

Мы рассчитаем резонансную частоту серии кристаллов кварца, параллельную резонансную частоту и коэффициент качества кристалла, когда будут доступны следующие точки:

R1 = 6,8R

C1 = 0,09970 пФ

L1 = 3 мГн

И C2 = 30пФ

Последовательная резонансная частота кристалла -

Параллельная резонансная частота кристалла, fp -

Теперь мы можем понять, что последовательная резонансная частота составляет 9,20 МГц, а параллельная резонансная частота составляет 9,23 МГц.

Добротность этого кристалла будет быть-

Кристаллический осциллятор Колпитца

Схема кварцевого генератора, построенная на биполярном транзисторе или различных типах полевых транзисторов. На верхнем изображении показан осциллятор Колпитца; емкостной делитель напряжения используется для обратной связи. Транзистор Q1 имеет конфигурацию с общим эмиттером. В верхней цепи R1 и R2 используются для смещения транзистора, а C1 используется в качестве байпасного конденсатора, который защищает базу от высокочастотных помех.

В этой конфигурации кристалл будет действовать как шунт из-за соединения коллектора с землей . Это в параллельной резонансной конфигурации. Конденсаторы C2 и C3 используются для обратной связи. Кристалл Q2 включен как параллельный резонансный контур.

В этой конфигурации выходное усиление невелико, чтобы избежать избыточного рассеивания мощности в кристалле.

Пирс-кристаллический осциллятор

Другая конфигурация, используемая в кварцевом генераторе, где транзистор заменен на JFET для усиления, где JFET имеет очень высокие входные импедансы, когда кристалл подключен к Drain to Gate с помощью конденсатора.

На верхнем изображении показана схема кварцевого осциллятора Пирса. C4 обеспечивает необходимую обратную связь в этой цепи генератора. Эта обратная связь является положительной обратной связью, которая представляет собой сдвиг фазы на 180 градусов на резонансной частоте. R3 управляет обратной связью, а кристалл обеспечивает необходимые колебания.

Кварцевому генератору Пирса требуется минимальное количество компонентов, поэтому он является предпочтительным выбором в условиях ограниченного пространства. Цифровые часы, таймеры и различные типы часов используют схему кварцевого генератора. Пиковое значение амплитуды выходной синусоидальной волны ограничено диапазоном напряжения JFET.

CMOS-осциллятор

Базовый генератор, использующий конфигурацию кристалла с параллельным резонансом, может быть изготовлен с использованием инвертора CMOS. Инвертор CMOS может использоваться для достижения необходимой амплитуды. Он состоит из инвертирующего триггера Шмитта, такого как 4049, 40106 или микросхема транзисторно-транзисторной логики (TTL) 74HC19 и т. Д.

На верхнем изображении использован 74HC19N, который действует как триггер Шмитта в инвертирующей конфигурации. Кристалл будет обеспечивать необходимые колебания последовательной резонансной частоты. R1 - резистор обратной связи для КМОП-матрицы, обеспечивающий высокую добротность и высокий коэффициент усиления. Второй 74HC19N - это усилитель, обеспечивающий достаточную мощность для нагрузки.

Инвертор работает с выходным фазовым сдвигом на 180 градусов, а Q1, C2, C1 обеспечивают дополнительный фазовый сдвиг на 180 градусов. В процессе колебаний фазовый сдвиг всегда остается на 360 градусов.

Этот кварцевый генератор CMOS обеспечивает выходной сигнал прямоугольной формы. Максимальная выходная частота фиксируется характеристикой переключения КМОП-инвертора. Выходную частоту можно изменить, используя значение конденсаторов и сопротивление резистора. C1 и C2 должны быть одинаковыми по значениям.

Обеспечение часов микропроцессору с помощью кристаллов

Поскольку различные виды использования кварцевого генератора включают цифровые часы, таймеры и т. Д., Он также является подходящим выбором для обеспечения стабильной тактовой частоты колебаний микропроцессора и ЦП.

Микропроцессору и ЦП для работы требуется стабильный тактовый сигнал. Для этих целей широко используется кристалл кварца. Кварцевый кристалл обеспечивает высокую точность и стабильность по сравнению с другими генераторами RC, LC или RLC.

Как правило, тактовая частота микроконтроллера или процессора находится в диапазоне от кГц до МГц. Эта тактовая частота определяет, насколько быстро процессор может обрабатывать данные.

Для достижения этой частоты на входе генератора соответствующего MCU или CPU используется последовательный кристалл с двумя конденсаторами одинаковой емкости.

На этом изображении мы видим, что кристалл с двумя конденсаторами образует сеть и подключен к микроконтроллеру или центральному процессору через входной вывод OSC1 и OSC2. Обычно весь микроконтроллер или процессор состоят из этих двух выводов. В некоторых случаях доступны два типа контактов OSC. Один предназначен для первичного генератора для генерации часов, а другой - для вторичного генератора, который используется для других вторичных работ, где требуется вторичная тактовая частота. Диапазон значений конденсатора от 10 пФ до 42 пФ, все что угодно, кроме 15 пФ, 22 пФ, 33 пФ, широко используется.