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Quarzkristalloszillator und Quarzkristalle

Oszillator

Einige der Faktoren, die die Frequenz beeinflussenDie Stabilität eines Oszillators umfasst im Allgemeinen: Temperaturschwankungen, Lastschwankungen sowie Änderungen seiner DC-Versorgungsspannung, um nur einige zu nennen.

Frequenzstabilität des Ausgangssignals kann seindurch die richtige Auswahl der für die Resonanzrückkopplungsschaltung verwendeten Komponenten einschließlich des Verstärkers stark verbessert. Die Stabilität, die mit normalen LC- und RC-Panzerkreisen erreicht werden kann, ist jedoch begrenzt.

Quart Kristalloszillator

Quart Crystal
Oszillator

Um eine sehr hohe Oszillatorstabilität zu erreichen, a Quartz Kristall wird im Allgemeinen als die Frequenzbestimmungsvorrichtung verwendet, um andere Arten von Oszillatorschaltung zu erzeugen, die allgemein als a bekannt sind Quarzkristalloszillator(XO).

Wenn eine Spannungsquelle an ein kleines, dünnes Quarzkristallstück angelegt wird, beginnt sich die Form zu verändern, wodurch eine als Piezoelektrischer Effekt. Dieser piezoelektrische Effekt ist Eigentum von aKristall, durch den eine elektrische Ladung eine mechanische Kraft erzeugt, indem die Form des Kristalls geändert wird und umgekehrt, erzeugt eine auf den Kristall aufgebrachte mechanische Kraft eine elektrische Ladung.

Dann können piezoelektrische Geräte als klassifiziert werdenWandler wandeln die Energie einer Art in Energie einer anderen um (elektrisch zu mechanisch oder mechanisch zu elektrisch). Dieser piezoelektrische Effekt erzeugt mechanische Schwingungen oder Schwingungen, die verwendet werden können, um den Standard-LC-Panzerschaltkreis in den vorherigen Oszillatoren zu ersetzen.

Es gibt viele verschiedene Arten von KristallenSubstanzen, die als Oszillatoren verwendet werden können, wobei die wichtigsten für elektronische Schaltungen die Quarzmineralien sind, teilweise aufgrund ihrer höheren mechanischen Festigkeit.

Der in einem Quarzkristall verwendete Quarzkristall Quarzkristalloszillator ist ein sehr kleines, dünnes Stück oder WaferQuarz mit den beiden parallelen Oberflächen metallisiert, um die erforderlichen elektrischen Verbindungen herzustellen. Die physikalische Größe und Dicke eines Quarzkristallstücks wird streng kontrolliert, da es die endgültige oder grundlegende Schwingungsfrequenz beeinflusst. Die Grundfrequenz wird im Allgemeinen als "charakteristische Frequenz" bezeichnet.

Nach dem Schneiden und Verformen kann der Kristall nicht bei einer anderen Frequenz verwendet werden. Mit anderen Worten, seine Größe und Form bestimmt die Grundschwingungsfrequenz.

Die Kristalle charakteristisch oder charakteristischDie Frequenz ist umgekehrt proportional zu ihrer physikalischen Dicke zwischen den beiden metallisierten Oberflächen. Ein mechanisch schwingender Kristall kann durch eine äquivalente elektrische Schaltung dargestellt werden, die aus einem niedrigen Widerstand R, einer großen Induktivität L und einer kleinen Kapazität C besteht, wie unten gezeigt.

Quarzkristall-Äquivalentmodell

Viertel Kristallmodell

Die äquivalente elektrische Schaltung für den QuarzKristall zeigt eine Serien-RLC-Schaltung, die die mechanischen Schwingungen des Kristalls parallel zu einer Kapazität Cp repräsentiert, die die elektrischen Verbindungen zum Kristall darstellt. Quarzkristalloszillatoren tendieren dazu, auf ihre "Serienresonanz" hin zu arbeiten.

Die äquivalente Impedanz des Kristalls hat aSerienresonanz, bei der Cs mit der Induktivität in Resonanz tritt, Ls bei der Betriebsfrequenz der Kristalle. Diese Frequenz wird als Kristallserienfrequenz fs bezeichnet. Neben dieser Serienfrequenz gibt es einen zweiten Frequenzpunkt, der als Ergebnis der Parallelresonanz festgelegt wird, die erzeugt wird, wenn Ls und Cs wie gezeigt mit dem Parallelkondensator Cp schwingen.

Kristallimpedanz gegen die Frequenz

Quarzkristall-Impedanz
Quarzkristall-Impedanzformel

Die Steigung der Kristallimpedanz oben zeigtdas, wenn die Frequenz über seine Klemmen steigt. Bei einer bestimmten Frequenz erzeugt die Wechselwirkung zwischen dem Serienkondensator Cs und der Induktivität Ls eine Serienresonanzschaltung, die die Kristallimpedanz auf ein Minimum reduziert und gleich Rs ist. Dieser Frequenzpunkt wird als Kristallserienresonanzfrequenz f bezeichnet und unterhalb von f ist der Kristall kapazitiv.

Da steigt die Frequenz über diese SerieResonanzpunkt verhält sich der Kristall wie eine Induktivität, bis die Frequenz ihre Parallelresonanzfrequenz ƒp erreicht. An diesem Frequenzpunkt erzeugt die Wechselwirkung zwischen der Serieninduktivität Ls und dem Parallelkondensator Cp eine parallel abgestimmte LC-Tankschaltung, und als solche erreicht die Impedanz über dem Kristall ihren Maximalwert.

Dann können wir sehen, dass ein Quarzkristall a istKombination aus seriellen und parallel abgestimmten Resonanzkreisen, die bei zwei verschiedenen Frequenzen oszillieren, wobei der sehr kleine Unterschied zwischen den beiden in Abhängigkeit vom Kristallschnitt liegt. Da der Quarz entweder mit seinen Serien- oder Parallelresonanzfrequenzen arbeiten kann, muss eine Quarzoszillatorschaltung auf die eine oder andere Frequenz abgestimmt werden, da Sie nicht beide gleichzeitig verwenden können.

Abhängig von den Schaltungseigenschaften aQuarzkristall kann entweder als Kondensator, als Induktor, als Serienresonanzkreis oder als Parallelresonanzkreislauf fungieren. Um dies klarer darzustellen, können wir auch die Reaktanz der Kristalle gegen die Frequenz wie gezeigt darstellen.

Kristallreaktanz gegen die Frequenz

Quarzkristallreaktanz
Quarzkristallreaktanzformel

Die Steigung der Reaktanz gegenüber der Frequenzoben zeigt, dass die Serienreaktanz bei der Frequenz ƒs umgekehrt proportional zu Cs ist, da unter ƒs und über ƒp der Kristall kapazitiv erscheint. Zwischen den Frequenzen fs und fp erscheint der Kristall induktiv, da sich die beiden parallelen Kapazitäten aufheben.

Dann ist die Formel für die Resonanzfrequenz der Kristallserie fs gegeben als:

Serie Resonanzfrequenz

Serienresonanzgleichung

Die Parallelresonanzfrequenz fp tritt auf, wenn die Reaktanz der Reihe LC-Schenkel der Reaktanz des Parallelkondensators Cp entspricht und als

Parallele Resonanzfrequenz

Parallelresonanzgleichung

Quart Kristalloszillator Beispiel Nr. 1

Ein Quarzkristall hat folgende Werte: Rs = 6.4 Ω, Cs = 0,09972pF und Ls = 2,546 mH. Wenn die Kapazität an seinem Anschluss Cp bei 28,68 pF gemessen wird, berechnen Sie die Grundschwingungsfrequenz des Kristalls und seine sekundäre Resonanzfrequenz.

Die Resonanzfrequenz der Kristallserie ƒS

Oszillatoren Serienresonanzfrequenz

Die parallele Resonanzfrequenz des Kristalls ƒP

Oszillatoren parallele Resonanzfrequenz

Wir können sehen, dass der Unterschied zwischen ƒs, derDie Grundfrequenz des Kristalls und fp ist bei etwa 18 kHz (10,005 MHz - 9,987 MHz) klein. Während dieses Frequenzbereichs ist der Q-Faktor (Quality Factor) des Kristalls jedoch extrem hoch, da die Induktivität des Kristalls viel höher ist als seine kapazitiven oder resistiven Werte. Der Q-Faktor unseres Kristalls bei der Serienresonanzfrequenz wird angegeben als:

Quarzoszillatoren Q-Faktor

Quarzoszillator q-Faktor

Dann liegt der Q-Faktor unseres Kristallbeispiels bei etwa 25.000 aufgrund dieses hohen XL/ R-Verhältnis. Der Q-Faktor der meisten Kristalle liegt im Bereich von 20.000 bis 200.000 im Vergleich zu einem guten LC-Kreislauf, den wir uns zuvor angesehen haben, der weit unter 1.000 liegen wird. Dieser hohe Q-Faktor-Wert trägt auch zu einer größeren Frequenzstabilität des Kristalls bei seiner Betriebsfrequenz bei, wodurch er ideal für den Aufbau von Kristalloszillatorschaltungen ist.

Wir haben also gesehen, dass ein Quarzkristall eineResonanzfrequenz ähnlich der einer elektrisch abgestimmten LC-Panzerschaltung, jedoch mit einem viel höheren Q-Faktor. Dies ist hauptsächlich auf den niedrigen Serienwiderstand Rs zurückzuführen. Daher eignen sich Quarzkristalle hervorragend für Oszillatoren, insbesondere für Hochfrequenzoszillatoren.

Typische Quarzoszillatoren können reichenOszillationsfrequenzen von ungefähr 40 kHz bis weit über 100 MHz, abhängig von ihrer Schaltungskonfiguration und der verwendeten Verstärkungsvorrichtung. Der Schnitt des Kristalls bestimmt auch das Verhalten des Kristalls, da einige Kristalle bei mehr als einer Frequenz schwingen und zusätzliche Schwingungen erzeugen, die als Obertöne bezeichnet werden.

Auch wenn der Kristall nicht parallel ist odergleichmäßige Dicke kann zwei oder mehr Resonanzfrequenzen haben, wobei sowohl eine Grundfrequenz erzeugt wird, als auch Oberwellen erzeugt werden, wie beispielsweise zweite oder dritte Oberwellen.

Im Allgemeinen jedoch die GrundschwingungDie Frequenz eines Quarzkristalls ist viel stärker oder ausgeprägter als diejenige von Sekundärharmonischen, sodass dies die verwendete ist. Wir haben in den obigen Grafiken gesehen, dass eine Kristallequivalenzschaltung drei reaktive Komponenten, zwei Kondensatoren plus eine Induktivität aufweist, so dass zwei Resonanzfrequenzen vorhanden sind, die niedrigste eine Serienresonanzfrequenz und die höchste die parallele Resonanzfrequenz.

Wir haben in den vorherigen Tutorials gesehen, dass eine Verstärkerschaltung oszilliert, wenn sie eine Schleifenverstärkung hat, die größer oder gleich eins ist und die Rückkopplung positiv ist. In einem Quarzkristalloszillator In der Schaltung schwingt der Oszillator mit der parallelen Grundschwingfrequenz der Kristalle, da der Kristall immer schwingen möchte, wenn eine Spannungsquelle an ihn angelegt wird.

Es ist jedoch auch möglich, einen Quarzoszillator auf eine beliebige gerade Harmonische der Grundfrequenz (2., 4., 8. usw.) "abzustimmen", und diese sind allgemein als bekannt Harmonische Oszillatoren während Obertonoszillatoren bei ungeraden Vielfachen der Grundfrequenz (3., 5., 11. usw.) schwingen. Im Allgemeinen verwenden Kristalloszillatoren, die bei Obertonfrequenzen arbeiten, dies unter Verwendung ihrer Serienresonanzfrequenz.

Colpitts Quarzkristalloszillator

Quarzoszillatorschaltungen sind im Allgemeinen bipolar aufgebautTransistoren oder FETs. Dies liegt daran, dass, obwohl Operationsverstärker in vielen verschiedenen Niederfrequenz-Oszillatorschaltungen (≤ 100 kHz) verwendet werden können, Operationsverstärker einfach nicht die Bandbreite haben, um erfolgreich bei höheren Frequenzen zu arbeiten, die für Kristalle über 1 MHz geeignet sind.

Das Design von a Kristalloszillator ist dem Design des Colpitts sehr ähnlichOszillator, auf den wir uns im vorigen Tutorial befasst haben, mit der Ausnahme, dass der LC-Tankkreis, der die Rückkopplungsoszillationen liefert, durch einen Quarzkristall ersetzt wurde, wie unten gezeigt.

Colpitts Kristalloszillator

Colpitts Kristalloszillator

Diese Art von Kristalloszillatoren sind um einen gemeinsamen Kollektorverstärker (Emitterfolger) ausgelegt. Der r1 und R2 Widerstandsnetzwerk legt den DC-Vorspannungspegel an der Basis fest, während der Emitterwiderstand R liegtE Legt den Ausgangsspannungspegel fest. Widerstand R2 wird so groß wie möglich eingestellt, um das Laden des parallel geschalteten Quarzes zu verhindern.

Der Transistor 2N4265 ist ein Allzweck-NPNTransistor, der in einer gemeinsamen Kollektorkonfiguration geschaltet ist und in der Lage ist, bei Schaltgeschwindigkeiten von mehr als 100 MHz zu arbeiten, weit oberhalb der Kristallgrundfrequenz, die zwischen etwa 1 MHz und 5 MHz liegen kann.

Das Schaltbild oben von Colpitts Kristalloszillator Schaltung zeigt, dass die Kondensatoren C1 und C2 parallel schaltender Ausgang des Transistors, der das Rückkopplungssignal reduziert. Daher begrenzt die Verstärkung des Transistors die Maximalwerte von C1 und C2. Die Ausgangsamplitude sollte niedrig gehalten werden, um eine übermäßige Verlustleistung im Kristall zu vermeiden, da sie sich sonst durch übermäßige Vibration zerstören könnte.

Pierce-Oszillator

Ein anderer üblicher Aufbau des Quarzkristalloszillators ist der des Pierce-Oszillator. Der Pierce-Oszillator ist im Design dem vorherigen Colpitts-Oszillator sehr ähnlich und eignet sich gut zum Implementieren von Quarzoszillatorschaltungen, die einen Quarz als Teil ihrer Rückkopplungsschaltung verwenden.

Der Pierce-Oszillator ist hauptsächlich eine SerieResonanzschwingkreis (im Gegensatz zum Parallelschwingkreis des Colpitts-Oszillators), der einen JFET für seine Hauptverstärkungsvorrichtung verwendet, da FETs sehr hohe Eingangsimpedanzen liefern, wobei der Quarz über den Kondensator C1 zwischen dem Drain und dem Gate geschaltet ist, wie unten gezeigt.

Pierce-Kristalloszillator

Piercing Kristalloszillator

In dieser einfachen Schaltung bestimmt der Kristalldie Frequenz der Schwingungen und arbeitet bei ihrer Serienresonanzfrequenz, fs ergibt einen Pfad mit niedriger Impedanz zwischen dem Ausgang und dem Eingang. Es gibt eine 180O Phasenverschiebung bei Resonanz, wodurch das Feedback positiv wird. Die Amplitude der Ausgangssinuswelle ist auf den maximalen Spannungsbereich am Drain-Anschluss begrenzt.

Der Widerstand R1 steuert den Betrag der Rückkopplung undWährend die Spannung über der Hochfrequenzdrossel läuft, kehrt sich der RFC während jedes Zyklus um. Die meisten Digitaluhren, Uhren und Timer verwenden einen Pierce-Oszillator in irgendeiner Form, da er mit einem Minimum an Komponenten implementiert werden kann.

Wir können nicht nur Transistoren und FETs verwendenErstellen Sie außerdem einen einfachen Grundschwingkreis mit parallelem Resonanzquarz, der dem Pierce-Oszillator ähnelt, indem Sie einen CMOS-Inverter als Verstärkungselement verwenden. Der grundlegende Quarzkristall-Oszillator besteht aus einem einzelnen invertierenden Schmitt-Trigger-Logikgatter, z. B. dem Typ TTL 74HC19 oder CMOS 40106, 4049, einem induktiven Quarz und zwei Kondensatoren. Diese beiden Kondensatoren bestimmen den Wert der Ladekapazität der Kristalle. Der Reihenwiderstand hilft, den Ansteuerstrom im Quarz zu begrenzen, und isoliert auch den Inverterausgang von der komplexen Impedanz, die durch ein Kondensator-Kristall-Netzwerk gebildet wird.

CMOS-Kristalloszillator

cmos Kristalloszillator

Der Kristall schwingt bei seiner SerienresonanzFrequenz. Der CMOS-Inverter wird anfänglich durch den Rückkopplungswiderstand R1 in die Mitte seines Betriebsbereichs vorgespannt. Dies stellt sicher, dass sich der Q-Punkt des Wechselrichters in einem Bereich mit hoher Verstärkung befindet. Hier wird ein Widerstand von 1 MΩ verwendet, dessen Wert jedoch nicht kritisch ist, solange er mehr als 1 MΩ beträgt. Ein zusätzlicher Inverter dient zur Pufferung des Ausgangs des Oszillators an die angeschlossene Last.

Der Wechselrichter bietet 180O der Phasenverschiebung und das Kristallkondensator-Netzwerk die zusätzlichen 180O erforderlich für die Schwingung. Der Vorteil des CMOS-Quarzoszillators besteht darin, dass er sich immer automatisch neu einstellt, um diese 360 ​​zu erhaltenO Phasenverschiebung für die Schwingung.

Im Gegensatz zu dem bisherigen Transistor-basierten KristallOszillatoren, die eine sinusförmige Ausgangswellenform erzeugen, da der CMOS-Inverter-Oszillator digitale Logikgatter verwendet, ist der Ausgang eine Rechteckwelle, die zwischen HIGH und LOW schwingt. Natürlich hängt die maximale Betriebsfrequenz von den Schalteigenschaften des verwendeten Logikgatters ab.

Mikroprozessor-Quarzuhren

Wir können a nicht beenden Quarzkristalloszillatoren Tutorial ohne etwas über Mikroprozessor-Kristalluhren zu erwähnen. Praktisch alle Mikroprozessoren, Mikrocontroller, PICs und CPUs arbeiten im Allgemeinen mit einem Quarzkristalloszillator als seine Frequenzbestimmungsvorrichtung zu generierenIhre Taktsignalform, da Kristalloszillatoren bekanntlich die höchste Genauigkeit und Frequenzstabilität bieten, verglichen mit Widerstands-Kondensator- (RC) oder Induktivitäts-Kondensator- (LC) Oszillatoren.

Die CPU-Uhr gibt an, wie schnell der Prozessor kannDa die Daten mit einem Mikroprozessor, PIC oder Mikrocontroller mit einer Taktfrequenz von 1 MHz laufen und verarbeitet werden können, können Daten intern bei jedem Taktzyklus eine Million Mal pro Sekunde verarbeitet werden. Zur Erzeugung eines Mikroprozessortaktsignals werden im Allgemeinen nur ein Kristall und zwei Keramikkondensatoren mit Werten zwischen 15 und 33pF benötigt (siehe unten).

Mikroprozessor-Oszillator

Mikroprozessor-Quarzkristalloszillator

Die meisten Mikroprozessoren, Mikrocontroller und PICshaben zwei mit OSC1 und OSC2 beschriftete Oszillatorstifte zum Anschließen an eine externe Quarzkristallschaltung, ein Standard-RC-Oszillatornetzwerk oder sogar einen Keramikresonator. Bei dieser Art von Mikroprozessoranwendung werden die Quarzkristalloszillator erzeugt eine Folge kontinuierlicher Rechteckimpulsederen Grundfrequenz vom Kristall selbst gesteuert wird. Diese Grundfrequenz regelt den Fluss von Anweisungen, die das Prozessorgerät steuern. Zum Beispiel die Hauptuhr und das Timing des Systems.

Quart Kristalloszillator Beispiel Nr. 2

Ein Quarzkristall hat nach dem Schneiden die folgenden Werte: Rs = 1 k & Omega; Berechnen Sie die Kristallserie und die Parallelschwingfrequenzen.

Die Serienoszillationsfrequenz wird angegeben als:

Schwingfrequenz der Quarzkristallreihe

Die Parallelschwingfrequenz wird angegeben als:

Quarzkristallparallelschwingungsfrequenz

Dann liegt die Schwingungsfrequenz für den Kristall zwischen 411 kHz und 412 kHz.

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