Quarzkristalloszillator

In unseren vorherigen Tutorials zu RC-Phasenverschiebungsoszillatoren und Weinbrückenoszillatoren erhalten wir eine gute Vorstellung davon, was ein Oszillator ist. Ein Oszillator ist eine mechanische oder elektronische Konstruktion, die in Abhängigkeit von wenigen Variablen eine Schwingung erzeugt. Ein guter Oszillator erzeugt eine stabile Frequenz.

Im Fall von RC-Oszillatoren (Widerstandskondensator) oder RLC-Oszillatoren (Widerstandsinduktor-Kondensator) sind sie keine gute Wahl, wenn stabile und genaue Schwingungen erforderlich sind. Die Temperaturänderungen wirken sich auf die Last- und Stromversorgungsleitung aus, was sich wiederum auf die Stabilität der Oszillatorschaltung auswirkt. Die Stabilität kann bei RC- und RLC-Schaltungen bis zu einem bestimmten Grad verbessert werden, dennoch ist die Verbesserung in bestimmten Fällen nicht ausreichend.

In einer solchen Situation wird der Quarzkristall verwendet. Quarz ist ein Mineral aus Silizium- und Sauerstoffatomen. Es reagiert, wenn eine Spannungsquelle an einen Quarzkristall angelegt wird. Es erzeugt eine Eigenschaft, die als piezoelektrischer Effekt identifiziert wird. Wenn eine Spannungsquelle darüber angelegt wird, ändert sie ihre Form und erzeugt mechanische Kräfte, und die mechanischen Kräfte kehren zurück und erzeugen elektrische Ladung.

Da es elektrische Energie in mechanische und mechanische in elektrische Energie umwandelt, wird es als Wandler bezeichnet. Diese Änderungen erzeugen sehr stabile Schwingungen und erzeugen als piezoelektrischer Effekt stabile Schwingungen.

Quarzkristall und sein Ersatzschaltbild

Dies ist das Symbol des Kristalloszillators. Der Quarzkristall besteht aus einem dünnen Stück Quarzwafer, das fest zwischen zwei parallelen metallisierten Oberflächen sitzt und kontrolliert wird. Die metallisierten Oberflächen sind für elektrische Verbindungen vorgesehen, und die physikalische Größe und Dichte des Quarzes sowie die Dicke werden streng kontrolliert, da sich Änderungen in Form und Größe direkt auf die Schwingungsfrequenz auswirken. Sobald es geformt und gesteuert ist, ist die erzeugte Frequenz fest, die Grundfrequenz kann nicht in andere Frequenzen geändert werden. Diese spezifische Frequenz für den spezifischen Kristall wird als charakteristische Frequenz bezeichnet.

Im oberen Bild stellt die linke Schaltung die auf der rechten Seite gezeigte Ersatzschaltung von Quarzkristall dar. Wie wir sehen können, werden 4 passive Komponenten verwendet, zwei Kondensatoren C1 und C2 und eine Induktivität L1, Widerstand R1. C1, L1, R1 sind in Reihe geschaltet und C2 parallel geschaltet.

Die Reihenschaltung, die aus einem Kondensator, einem Widerstand und einer Induktivität besteht, symbolisiert das gesteuerte Verhalten und den stabilen Betrieb des Kristalls und des Parallelkondensators. C2 repräsentiert die Parallelkapazität der Schaltung oder des äquivalenten Kristalls.

Bei der Betriebsfrequenz schwingt der C1 mit der Induktivität L1 mit. Diese Betriebsfrequenz wird als Kristallreihenfrequenz (fs) bezeichnet. Aufgrund dieser Serienfrequenz wird ein Sekundärfrequenzpunkt mit der Parallelresonanz erkannt. L1 und C1 schwingen auch mit dem Parallelkondensator C2 mit. Der Parallelkondensator C2 wird häufig als C0 bezeichnet und als Shunt-Kapazität eines Quarzkristalls bezeichnet.

Kristallausgangsimpedanz gegen Frequenz

Wenn wir die Reaktanzformel auf zwei Kondensatoren anwenden, beträgt die kapazitive Reaktanz für den Reihenkondensator C1:

X _C1 = 1 / 2πfC ₁

Wo, F = Frequenz und C1 = Wert der Reihenkapazität.

Die gleiche Formel gilt auch für den Parallelkondensator. Die kapazitive Reaktanz des Parallelkondensators beträgt:

X _C2 = 1 / 2πfC ₂

Wenn wir den Beziehungsgraphen zwischen Ausgangsimpedanz und Frequenz sehen, sehen wir die Änderungen der Impedanz.

Im oberen Bild sehen wir die Impedanzkurve des Kristalloszillators und auch, wie sich diese Steigung ändert, wenn sich die Frequenz ändert. Es gibt zwei Punkte, einer ist ein Serienresonanzfrequenzpunkt und der andere ist ein Parallelresonanzfrequenzpunkt.

Am Serienresonanzfrequenzpunkt wird die Impedanz minimal. Der Serienkondensator C1 und der Serieninduktor L1 erzeugen eine Serienresonanz, die dem Serienwiderstand entspricht.

An diesem Serienresonanzfrequenzpunkt werden also die folgenden Dinge passieren:

1. Die Impedanz ist im Vergleich zu anderen Frequenzzeiten minimal.
2. Die Impedanz ist gleich dem Vorwiderstand.
3. Unterhalb dieses Punktes wirkt der Kristall als kapazitive Form.

Als nächstes wird die Frequenz geändert und die Steigung wird langsam auf den Maximalpunkt bei paralleler Resonanzfrequenz erhöht, bevor der Kristall erreicht wird, bevor er den parallelen Resonanzfrequenzpunkt erreicht.

Nach Erreichen des parallelen Frequenzpunktes erreicht die Impedanzsteigung den Maximalwert. Der Parallelkondensator C2 und der Serieninduktor erzeugen eine LC-Tankschaltung und somit wurde die Ausgangsimpedanz hoch.

So verhält sich der Kristall als Induktor oder wie ein Kondensator in Reihen- und Parallelresonanz. Kristall kann in diesen beiden Resonanzfrequenzen arbeiten, jedoch nicht gleichzeitig. Für den Betrieb muss eine bestimmte Einstellung vorgenommen werden.

Kristallreaktivität gegen Frequenz

Die Serienreaktanz der Schaltung kann mit folgender Formel gemessen werden:

X _S = R2 + (XL ₁ - XC ₁) ²

Wobei R der Widerstandswert ist

X11 ist die Serieninduktivität der Schaltung

Xc1 ist die Reihenkapazität der Schaltung.

Die parallele kapazitive Reaktanz der Schaltung beträgt:

X _CP = -1 / 2πfCp

Die parallele Reaktanz der Schaltung beträgt:

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

Wenn wir die Grafik sehen, sieht sie folgendermaßen aus:

Wie wir im oberen Diagramm sehen können, dass die Serienreaktanz am Punkt der Serienresonanz umgekehrt proportional zu C1 ist, wirkt der Kristall am Punkt von fs bis fp induktiv, da an diesem Punkt zwei parallele Kapazitäten vernachlässigbar werden.

Andererseits befindet sich der Kristall in kapazitiver Form, wenn die Frequenz außerhalb der Punkte fs und fp liegt.

Mit diesen beiden Formeln können wir die Serienresonanzfrequenz und die Parallelresonanzfrequenz berechnen -

Q-Faktor für Quarzkristall:

Q ist die Kurzform von Qualität. Dies ist ein wichtiger Aspekt der Quarzkristallresonanz. Dieser Q-Faktor bestimmt die Frequenzstabilität von Crystal. Im Allgemeinen liegt der Q-Faktor eines Kristalls zwischen 20.000 und mehr als 100.000. Manchmal ist der Q-Faktor eines Kristalls auch mehr als 200.000 beobachtbar.

Der Q-Faktor eines Kristalls kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R.

Wobei X _L die Induktivitätsreaktanz und R der Widerstand ist.

Quarzkristalloszillator Beispiel mit Berechnung

Wir werden die Serienresonanzfrequenz, die Parallelresonanzfrequenz und den Qualitätsfaktor des Kristalls einer Quarzkristalle berechnen, wenn die folgenden Punkte verfügbar sind:

R1 = 6,8R

C1 = 0,09970 pF

L1 = 3 mH

Und C2 = 30 pF

Die Serienresonanzfrequenz des Kristalls beträgt -

Die parallele Resonanzfrequenz des Kristalls fp ist -

Nun können wir verstehen, dass die Serienresonanzfrequenz 9,20 MHz und die Parallelresonanzfrequenz 9,23 MHz beträgt

Der Q-Faktor dieses Kristalls wird

Colpitts Kristalloszillator

Kristalloszillatorschaltung, die unter Verwendung eines Bipolartransistors oder verschiedener Arten von FETs aufgebaut ist. Im oberen Bild ist ein Colpitts-Oszillator dargestellt. Der kapazitive Spannungsteiler dient zur Rückkopplung. Der Transistor Q1 hat eine gemeinsame Emitterkonfiguration. In der oberen Schaltung werden R1 und R2 zur Vorspannung des Transistors verwendet und C1 wird als Bypass-Kondensator verwendet, der die Basis vor HF-Rauschen schützt.

In dieser Konfiguration wirkt der Kristall aufgrund der Verbindung vom Kollektor zur Erde als Nebenschluss . Es ist in paralleler Resonanzkonfiguration. Die Kondensatoren C2 und C3 werden zur Rückmeldung verwendet. Der Kristall Q2 ist als Parallelschwingkreis geschaltet.

Die Ausgangsverstärkung ist in dieser Konfiguration gering, um eine übermäßige Verlustleistung im Kristall zu vermeiden.

Pierce Crystal Oscillator

Ein andere Konfiguration, die in Quarzkristalloszillator verwendet wird, wobei der Transistor auf einen geändert wird JFET zur Amplifikation wo das JFET in ist sehr hohe Eingangsimpedanzen, wenn der Kristall in Drain - Gate mit einem Kondensator verbunden ist.

Im oberen Bild ist eine Pierce Crystal Oscillator- Schaltung dargestellt. Der C4 liefert die notwendige Rückmeldung in dieser Oszillatorschaltung. Diese Rückkopplung ist eine positive Rückkopplung, die eine Phasenverschiebung von 180 Grad bei der Resonanzfrequenz darstellt. R3 steuert die Rückkopplung und der Kristall liefert die notwendige Schwingung.

Der Pierce-Kristalloszillator benötigt nur eine minimale Anzahl von Komponenten und ist daher eine bevorzugte Wahl, wenn der Platz begrenzt ist. Digitaluhr, Timer und verschiedene Arten von Uhren verwenden eine Durchstechkristalloszillatorschaltung. Der Spitzenwert der Sinuswellenamplitude von Spitze zu Spitze ist durch den JFET-Spannungsbereich begrenzt.

CMOS-Oszillator

Ein Basisoszillator, der eine Parallelresonanz-Kristallkonfiguration verwendet, kann unter Verwendung eines CMOS-Inverters hergestellt werden. Der CMOS-Inverter kann zum Erreichen der erforderlichen Amplitude verwendet werden. Es besteht aus dem Invertieren eines Schmitt-Triggers wie 4049, 40106 oder dem Transistor-Transistor-Logik (TTL) -Chip 74HC19 usw.

Im oberen Bild wird 74HC19N verwendet, das in invertierender Konfiguration als Schmitt-Trigger fungiert. Der Kristall liefert die notwendige Schwingung in der Serienresonanzfrequenz. R1 ist der Rückkopplungswiderstand für das CMOS und bietet einen hohen Q-Faktor mit hohen Verstärkungsfähigkeiten. Der zweite 74HC19N ist ein Booster, um eine ausreichende Leistung für die Last bereitzustellen.

Der Wechselrichter arbeitet mit einem 180-Grad-Phasenverschiebungsausgang und die Q1, C2, C1 liefern eine zusätzliche 180-Grad-Phasenverschiebung. Während des Schwingungsprozesses bleibt die Phasenverschiebung immer um 360 Grad.

Dieser CMOS-Quarzoszillator liefert eine Rechteckwellenausgabe. Die maximale Ausgangsfrequenz wird durch die Schaltcharakteristik des CMOS-Wechselrichters festgelegt. Die Ausgangsfrequenz kann mit dem Kondensatorwert und dem Widerstandswert geändert werden. C1 und C2 müssen in ihren Werten gleich sein.

Bereitstellung der Uhr für den Mikroprozessor mithilfe von Kristallen

Da verschiedene Verwendungszwecke von Quarzkristalloszillatoren Digitaluhren, Timer usw. umfassen, ist dies auch eine geeignete Wahl für die Bereitstellung eines stabilen Oszillationstakts über Mikroprozessor und CPUs.

Mikroprozessor und CPU benötigen für den Betrieb einen stabilen Takteingang. Quarzkristall wird häufig für diese Zwecke verwendet. Quarzkristall bietet im Vergleich zu anderen RC-, LC- oder RLC-Oszillatoren eine hohe Genauigkeit und Stabilität.

Im Allgemeinen wird die Taktfrequenz für den Mikrocontroller verwendet oder die CPU liegt im Bereich von KHz bis MHz. Diese Taktfrequenz bestimmt, wie schnell der Prozessor Daten verarbeiten kann.

Um diese Frequenz zu erreichen, wird ein Serienkristall, der mit zwei gleichwertigen Kondensatornetzwerken verwendet wird, über den Oszillatoreingang der jeweiligen MCU oder CPU verwendet.

In diesem Bild sehen wir, dass ein Kristall mit zwei Kondensatoren ein Netzwerk bildet und über den OSC1- und OSC2-Eingangspin über die Mikrocontrollereinheit oder die Zentraleinheit verbunden ist. Im Allgemeinen bestehen alle Mikrocontroller oder Prozessoren aus diesen zwei Pins. In einigen Fällen stehen zwei Arten von OSC-Pins zur Verfügung. Einer ist für den primären Oszillator zum Erzeugen des Takts und der andere für den sekundären Oszillator, der für andere sekundäre Arbeiten verwendet wird, bei denen eine sekundäre Taktfrequenz benötigt wird. Der Kondensatorwertbereich reicht von 10 pF bis 42 pF, alles zwischen 15 pF, 22 pF und 33 pF wird häufig verwendet.