Bộ dao động tinh thể thạch anh

Trong các hướng dẫn về Bộ tạo dao động dịch chuyển theo pha RC và Bộ tạo dao động cầu Wein trước đây của chúng tôi, chúng tôi có được ý tưởng hợp lý về Bộ tạo dao động là gì. Bộ tạo dao động là một cấu trúc cơ học hoặc điện tử tạo ra dao động phụ thuộc vào một vài biến số. Một bộ dao động tốt thích hợp tạo ra tần số ổn định.

Trong trường hợp Bộ tạo dao động RC (Điện trở-Tụ điện) hoặc RLC (Điện trở-Cuộn cảm-Tụ điện), chúng không phải là lựa chọn tốt khi cần dao động ổn định và chính xác. Sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đến tải và đường cung cấp điện từ đó ảnh hưởng đến sự ổn định của mạch Dao động. Sự ổn định có thể được cải thiện đến một mức độ nhất định trong trường hợp mạch RC và RLC, nhưng sự cải thiện vẫn chưa đủ trong các trường hợp cụ thể.

Trong tình huống đó, Tinh thể Thạch anh được sử dụng. Thạch anh là khoáng chất bao gồm các nguyên tử silic và oxy. Nó phản ứng khi một nguồn điện áp đặt vào tinh thể thạch anh. Nó tạo ra một đặc tính, được xác định là hiệu ứng điện Piezo. Khi nguồn điện áp được đặt qua nó, nó sẽ thay đổi hình dạng và tạo ra các lực cơ học, và các lực cơ học trở lại và tạo ra điện tích.

Khi nó chuyển đổi năng lượng điện thành cơ học và cơ học thành điện, nó được gọi là Bộ chuyển đổi. Những thay đổi này tạo ra dao động rất ổn định, và như một hiệu ứng điện Piezo tạo ra dao động ổn định.

Tinh thể thạch anh và mạch tương đương của nó

Đây là biểu tượng của Crystal Oscillator. Tinh thể thạch anh được làm từ mảnh thạch anh mỏng được gắn chặt và kiểm soát giữa hai bề mặt kim loại hóa song song. Các bề mặt kim loại hóa được tạo ra để kết nối điện, và kích thước vật lý thạch anh và mật độ cũng như độ dày được kiểm soát chặt chẽ vì những thay đổi về hình dạng và kích thước ảnh hưởng trực tiếp đến tần số dao động. Một khi nó được định hình và kiểm soát, tần số tạo ra là cố định, tần số cơ bản không thể thay đổi thành các tần số khác. Tần số cụ thể này đối với tinh thể cụ thể được gọi là tần số đặc trưng.

Trong hình trên, mạch bên trái đại diện cho mạch tương đương của Tinh thể Thạch anh, được hiển thị ở phía bên phải. Như chúng ta thấy, 4 linh kiện thụ động được sử dụng, hai tụ điện C1 và C2 và một cuộn cảm L1, điện trở R1. C1, L1, R1 mắc nối tiếp và C2 mắc song song.

Mạch nối tiếp bao gồm một tụ điện, một điện trở và một cuộn cảm, tượng trưng cho hành vi được kiểm soát và hoạt động ổn định của Tinh thể và tụ điện song song, C2 đại diện cho điện dung song song của mạch hoặc tinh thể tương đương.

Ở tần số hoạt động, C1 cộng hưởng với độ tự cảm L1. Tần số hoạt động này được gọi là tần số chuỗi tinh thể (fs). Do tần số chuỗi này, một điểm tần số thứ cấp được công nhận với cộng hưởng song song. L1 và C1 cũng cộng hưởng với tụ điện song song C2. Tụ điện song song C2 thường được mô tả như tên của C0 và được gọi là Điện dung Shunt của một tinh thể thạch anh.

Trở kháng đầu ra tinh thể so với tần số

Nếu chúng ta áp dụng công thức điện kháng trên hai tụ điện, thì đối với tụ điện nối tiếp C1, điện dung kháng sẽ là: -

X _C1 = 1 / 2πfC ₁

Ở đâu, F = tần số và C1 = giá trị của điện dung nối tiếp.

Cũng áp dụng công thức tương tự cho tụ điện song song, điện dung của tụ điện song song sẽ là: -

X _C2 = 1 / 2πfC ₂

Nếu chúng ta thấy đồ thị mối quan hệ giữa Trở kháng đầu ra và Tần số, chúng ta sẽ thấy những thay đổi trong trở kháng.

Trong hình trên, chúng ta thấy đường cong trở kháng của bộ dao động tinh thể và cũng thấy rằng, độ dốc này thay đổi như thế nào khi tần số thay đổi. Có hai điểm một là điểm tần số cộng hưởng nối tiếp và điểm còn lại là điểm tần số cộng hưởng song song.

Tại điểm tần số cộng hưởng nối tiếp, trở kháng trở thành cực tiểu. Tụ điện C1 nối tiếp và cuộn cảm L1 mắc nối tiếp tạo ra cộng hưởng nối tiếp với điện trở nối tiếp.

Vì vậy, tại điểm tần số cộng hưởng của chuỗi này, những điều sau sẽ xảy ra: -

1. Trở kháng là tối thiểu so với các thời gian tần số khác.
2. Trở kháng bằng điện trở nối tiếp.
3. Dưới điểm này, tinh thể hoạt động như một dạng điện dung.

Tiếp theo, tần số được thay đổi và độ dốc từ từ tăng lên đến điểm cực đại ở tần số cộng hưởng song song, tại thời điểm này, trước khi đạt đến điểm tần số cộng hưởng song song, tinh thể hoạt động như một cuộn cảm nối tiếp.

Sau khi đạt đến điểm tần số song song, độ dốc trở kháng đạt giá trị lớn nhất. Tụ điện song song C2 và cuộn cảm nối tiếp tạo ra mạch bể LC và do đó trở kháng đầu ra trở nên cao.

Đây là cách tinh thể hoạt động như cuộn cảm hoặc như tụ điện mắc nối tiếp và cộng hưởng song song. Pha lê có thể hoạt động trong cả hai tần số cộng hưởng này nhưng không đồng thời. Nó cần được điều chỉnh ở bất kỳ cái cụ thể nào để hoạt động.

Phản ứng tinh thể với tần số

Các loạt điện kháng của mạch có thể được đo bằng công thức sau: -

X _S = R2 + (XL ₁ - XC ₁) ²

Trong đó, R là giá trị của điện trở

Xl1 là độ tự cảm nối tiếp của đoạn mạch

Xc1 là điện dung nối tiếp của đoạn mạch.

Điện kháng song song của đoạn mạch sẽ là: -

X _CP = -1 / 2πfCp

Điện kháng song song của đoạn mạch sẽ là: -

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

Nếu chúng ta nhìn thấy biểu đồ, nó sẽ giống như sau: -

Như chúng ta thấy trong đồ thị trên rằng điện kháng nối tiếp tại điểm cộng hưởng nối tiếp tỷ lệ nghịch với C1, tại điểm từ fs đến fp tinh thể hoạt động như cảm ứng vì tại thời điểm này, hai điện dung song song trở nên không đáng kể.

Mặt khác, tinh thể sẽ ở dạng điện dung khi tần số nằm ngoài điểm fs và fp.

Chúng ta có thể tính toán Tần số cộng hưởng nối tiếp và tần số cộng hưởng song song bằng cách sử dụng hai công thức sau:

Hệ số Q cho tinh thể thạch anh:

Q là dạng viết tắt của Chất lượng. Nó là một khía cạnh quan trọng của sự cộng hưởng tinh thể thạch anh. Yếu tố Q này quyết định độ ổn định tần số của Crystal. Nói chung, hệ số Q của một tinh thể có phạm vi từ 20.000 đến hơn 100.000. Đôi khi, hệ số Q của một tinh thể lớn hơn 200.000 cũng có thể quan sát được.

Hệ số Q của một tinh thể có thể được tính theo công thức sau:

Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R

Trong đó, X _L là Phản kháng cuộn cảm và R là Cảm kháng.

Ví dụ về bộ dao động tinh thể thạch anh với tính toán

Chúng tôi sẽ tính toán tần số cộng hưởng của chuỗi tinh thể thạch anh, tần số cộng hưởng song song và hệ số chất lượng của tinh thể khi có các điểm sau:

R1 = 6,8R

C1 = 0,09970pF

L1 = 3mH

Và C2 = 30pF

Tần số cộng hưởng nối tiếp của tinh thể là -

Tần số cộng hưởng song song của tinh thể, fp là -

Bây giờ, chúng ta có thể hiểu rằng tần số cộng hưởng nối tiếp là 9,20 MHz và tần số cộng hưởng song song là 9,23 MHz

Hệ số Q của tinh thể này sẽ là-

Bộ dao động tinh thể Colpitts

Mạch dao động tinh thể được xây dựng bằng bóng bán dẫn lưỡng cực hoặc các loại FET khác nhau. Trong hình trên, một bộ dao động colpitts được hiển thị; bộ phân áp điện dung được sử dụng để phản hồi. Các bóng bán dẫn Q1 có cấu hình cực phát chung. Trong mạch trên, R1 và R2 được sử dụng cho xu hướng của bóng bán dẫn và C1 được sử dụng làm tụ điện bỏ qua để bảo vệ cơ sở khỏi tiếng ồn RF.

Trong cấu hình này, tinh thể sẽ hoạt động như một shunt do kết nối từ bộ thu tới mặt đất . Đó là cấu hình cộng hưởng song song. Tụ C2 và C3 được sử dụng để phản hồi. Tinh thể Q2 được kết nối như một mạch cộng hưởng song song.

Độ khuếch đại đầu ra thấp trong cấu hình này để tránh tiêu tán công suất dư thừa trong tinh thể.

Pierce Crystal Oscillator

Một cấu hình khác được sử dụng trong bộ dao động tinh thể thạch anh, trong đó Transistor được thay đổi thành JFET để khuếch đại trong đó JFET ở trở kháng đầu vào rất cao khi tinh thể được kết nối trong Drain to Gate bằng tụ điện.

Trong hình trên, một mạch Dao động Pha lê Pierce được hiển thị. C4 cung cấp phản hồi cần thiết trong mạch dao động này. Phản hồi này là phản hồi tích cực lệch pha 180 độ ở tần số cộng hưởng. R3 điều khiển phản hồi và tinh thể cung cấp dao động cần thiết.

Bộ dao động tinh thể Pierce cần số lượng thành phần tối thiểu và do đó, nó là lựa chọn tốt hơn khi không gian bị hạn chế. Đồng hồ kỹ thuật số, bộ đếm thời gian và các loại Đồng hồ khác nhau sử dụng mạch dao động tinh thể xuyên qua. Giá trị đỉnh của biên độ sóng sin đầu ra bị giới hạn bởi dải điện áp JFET.

Bộ tạo dao động CMOS

Một bộ dao động cơ bản sử dụng cấu hình tinh thể cộng hưởng song song có thể được tạo ra bằng cách sử dụng biến tần CMOS. Biến tần CMOS có thể được sử dụng để đạt được biên độ yêu cầu. Nó bao gồm bộ kích hoạt Schmitt đảo ngược như chip 4049, 40106 hoặc Transistor-Transistor logic (TTL) 74HC19, v.v.

Trong hình trên, 74HC19N được sử dụng hoạt động như một bộ kích hoạt Schmitt trong cấu hình đảo ngược. Tinh thể sẽ cung cấp dao động cần thiết trong tần số cộng hưởng nối tiếp. R1 là điện trở phản hồi cho CMOS và cung cấp hệ số Q cao với khả năng khuếch đại cao. 74HC19N thứ hai được tăng cường để cung cấp đủ đầu ra cho tải.

Biến tần hoạt động ở ngõ ra lệch pha 180 độ và Q1, C2, C1 cung cấp thêm độ lệch pha 180 độ. Trong quá trình dao động độ lệch pha luôn luôn giữ nguyên 360 độ.

Bộ dao động tinh thể CMOS này cung cấp đầu ra sóng vuông. Tần số đầu ra tối đa được cố định bởi đặc tính chuyển mạch của biến tần CMOS. Tần số đầu ra có thể được thay đổi bằng cách sử dụng giá trị Tụ điện và giá trị Điện trở. C1 và C2 cần giống nhau về giá trị.

Cung cấp đồng hồ cho bộ vi xử lý bằng cách sử dụng Crystals

Vì các ứng dụng khác nhau của bộ tạo dao động tinh thể thạch anh bao gồm đồng hồ Kỹ thuật số, Bộ hẹn giờ, v.v., nó cũng là một lựa chọn phù hợp để cung cấp đồng hồ dao động ổn định trên bộ vi xử lý và CPU.

Bộ vi xử lý và CPU cần đầu vào xung nhịp ổn định để hoạt động. Tinh thể thạch anh được sử dụng rộng rãi cho những mục đích này. Tinh thể thạch anh cung cấp độ chính xác và ổn định cao so với các bộ dao động RC hoặc LC hoặc RLC khác.

Nói chung, tần số xung nhịp được sử dụng cho vi điều khiển hoặc CPU nằm trong khoảng từ KHz đến Mhz. Tần số xung nhịp này xác định tốc độ xử lý dữ liệu của bộ xử lý.

Để đạt được tần số này, một tinh thể nối tiếp được sử dụng với mạng hai tụ điện có cùng giá trị được sử dụng trên đầu vào bộ dao động của MCU hoặc CPU tương ứng.

Trong hình ảnh này, chúng ta có thể thấy rằng một Tinh thể với hai tụ điện tạo thành một mạng và được kết nối qua Bộ vi điều khiển hoặc Bộ xử lý trung tâm thông qua chân đầu vào OSC1 và OSC2. Nói chung, tất cả vi điều khiển hoặc bộ xử lý đều có hai chân này. Trong một số trường hợp có sẵn hai loại chân OSC. Một dành cho bộ dao động sơ cấp để tạo ra đồng hồ và bộ khác dành cho bộ dao động thứ cấp được sử dụng cho các công việc thứ cấp khác khi cần tần số đồng hồ thứ cấp. Phạm vi giá trị của tụ điện từ 10pF đến 42 pF, bất kỳ thứ gì ở giữa trừ 15pF, 22pF, 33pF được sử dụng rộng rãi.