Kristalloszillatoren

Immer wenn ein Oszillator im Dauerbetrieb ist, ist sein frequency stabilitywird betroffen. Es treten Änderungen in der Frequenz auf. Die Hauptfaktoren, die die Frequenz eines Oszillators beeinflussen, sind

  • Variationen der Stromversorgung
  • Temperaturänderungen
  • Änderungen des Last- oder Ausgangswiderstands

Bei RC- und LC-Oszillatoren variieren die Werte für Widerstand, Kapazität und Induktivität mit der Temperatur und daher wird die Frequenz beeinflusst. Um dieses Problem zu vermeiden, werden die piezoelektrischen Kristalle in Oszillatoren verwendet.

Die Verwendung von piezoelektrischen Kristallen in parallelen Resonanzkreisen sorgt für eine hohe Frequenzstabilität in Oszillatoren. Solche Oszillatoren werden als bezeichnetCrystal Oscillators.

Kristalloszillatoren

Das Prinzip der Quarzoszillatoren hängt von der Piezo electric effect. Die natürliche Form eines Kristalls ist sechseckig. Wenn ein Kristallwafer senkrecht zur X-Achse gekrümmt ist, wird er als X-Schnitt bezeichnet, und wenn er entlang der Y-Achse geschnitten wird, wird er als Y-Schnitt bezeichnet.

Der im Kristalloszillator verwendete Kristall weist eine Eigenschaft auf, die als piezoelektrische Eigenschaft bezeichnet wird. Lassen Sie uns also eine Idee zum piezoelektrischen Effekt haben.

Piezoelektrischer Effekt

Der Kristall weist die Eigenschaft auf, dass beim Anlegen einer mechanischen Spannung an eine der Flächen des Kristalls eine Potentialdifferenz an den gegenüberliegenden Flächen des Kristalls entsteht. Wenn umgekehrt eine Potentialdifferenz über eine der Flächen angelegt wird, wird entlang der anderen Flächen eine mechanische Spannung erzeugt. Dies ist bekannt alsPiezo electric effect.

Bestimmte kristalline Materialien wie Rochellesalz, Quarz und Turmalin zeigen einen piezoelektrischen Effekt, und solche Materialien werden als bezeichnet Piezo electric crystals. Quarz ist der am häufigsten verwendete piezoelektrische Kristall, da er kostengünstig und in der Natur leicht verfügbar ist.

Wenn ein piezoelektrischer Kristall einem geeigneten Wechselpotential ausgesetzt wird, vibriert er mechanisch. Die Amplitude mechanischer Schwingungen wird maximal, wenn die Frequenz der Wechselspannung gleich der Eigenfrequenz des Kristalls ist.

Bearbeitung eines Quarzkristalls

Damit ein Kristall in einer elektronischen Schaltung funktioniert, wird der Kristall in Form eines Kondensators zwischen zwei Metallplatten angeordnet. Quartzist der am häufigsten verwendete Kristalltyp aufgrund seiner Verfügbarkeit und seiner starken Natur, während er kostengünstig ist. Die Wechselspannung wird parallel zum Kristall angelegt.

Die Schaltungsanordnung eines Quarzkristalls ist wie folgt:

Wenn eine Wechselspannung angelegt wird, beginnt der Kristall mit der Frequenz der angelegten Spannung zu vibrieren. Wenn jedoch die Frequenz der angelegten Spannung gleich der Eigenfrequenz des Kristalls gemacht wird,resonancefindet statt und Kristallschwingungen erreichen einen Maximalwert. Diese Eigenfrequenz ist nahezu konstant.

Ersatzschaltbild eines Kristalls

Wenn wir versuchen, den Kristall mit einem äquivalenten Stromkreis darzustellen, müssen wir zwei Fälle berücksichtigen, nämlich wann er vibriert und wann nicht. Die folgenden Abbildungen zeigen das Symbol bzw. das elektrische Ersatzschaltbild eines Kristalls.

Das obige Ersatzschaltbild besteht aus einer Serien-RLC-Schaltung parallel zu einer Kapazität C m . Wenn der über der Wechselstromquelle montierte Kristall nicht vibriert, entspricht er der Kapazität C m . Wenn der Kristall vibriert, wirkt er wie eine abgestimmte RLC-Schaltung.

Frequenzgang

Der Frequenzgang eines Kristalls ist wie unten gezeigt. Die Grafik zeigt die Reaktanz (X L oder X C ) gegenüber der Frequenz (f). Es ist offensichtlich, dass der Kristall zwei eng beabstandete Resonanzfrequenzen aufweist.

Die erste ist die Reihenresonanzfrequenz (f s ), die auftritt , wenn Reaktanz der Induktivität (L) an die Reaktanz der Kapazität C. In Fall , dass gleich ist, die Impedanz der Äquivalenzschaltung ist gleich dem Widerstand R und Die Schwingungsfrequenz ergibt sich aus der Beziehung:

$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$

Die zweite ist die parallele Resonanzfrequenz (f p ), die auftritt, wenn die Reaktanz des RLC-Zweigs gleich der Reaktanz des Kondensators C m ist . Bei dieser Frequenz bietet der Kristall dem externen Stromkreis eine sehr hohe Impedanz, und die Schwingungsfrequenz ist durch die Beziehung gegeben.

$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L.C_T}} $$

Wo

$$ C_T = \ frac {C C_m} {(C + C_m)} $$

Der Wert von C m ist im Vergleich zu C gewöhnlich sehr groß. Daher ist der Wert von C T ungefähr gleich C und daher ist die Serienresonanzfrequenz ungefähr gleich der Parallelresonanzfrequenz (dh f s = f p ).

Kristalloszillatorschaltung

Eine Kristalloszillatorschaltung kann auf verschiedene Arten aufgebaut werden, wie ein kristallgesteuerter abgestimmter Kollektoroszillator, ein Colpitts-Kristalloszillator, ein Clap-Kristalloszillator usw. Aber die transistor pierce crystal oscillatorist die am häufigsten verwendete. Dies ist die Schaltung, die normalerweise als Quarzoszillatorschaltung bezeichnet wird.

Das folgende Schaltbild zeigt die Anordnung eines Transistor-Durchstechkristalloszillators.

In dieser Schaltung ist der Kristall als Serienelement im Rückkopplungspfad vom Kollektor zur Basis verbunden. Die Widerstände R 1 , R 2 und R E stellen eine mit Spannungsteiler stabilisierte Gleichstromvorspannungsschaltung bereit. Der Kondensator C E liefert einen Wechselstrom-Bypass des Emitterwiderstands, und die RFC-Spule (Radio Frequency Choke) sorgt für eine Gleichstromvorspannung, während jegliches Wechselstromsignal auf den Stromleitungen von der Beeinflussung des Ausgangssignals entkoppelt wird. Der Koppelkondensator C hat bei der Betriebsfrequenz der Schaltung eine vernachlässigbare Impedanz. Aber es blockiert jeden Gleichstrom zwischen Kollektor und Basis.

Die Schaltungsfrequenz der Schwingung wird durch die Serienresonanzfrequenz des Kristalls eingestellt und ihr Wert wird durch die Beziehung gegeben,

$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$

Es ist anzumerken, dass die Änderungen der Versorgungsspannung, der Transistorvorrichtungsparameter usw. keinen Einfluss auf die Betriebsfrequenz der Schaltung haben, die durch den Kristall stabil gehalten wird.

Vorteile

Die Vorteile des Quarzoszillators sind wie folgt:

  • Sie haben eine hohe Ordnung der Frequenzstabilität.
  • Der Qualitätsfaktor (Q) des Kristalls ist sehr hoch.

Nachteile

Die Nachteile des Quarzoszillators sind wie folgt:

  • Sie sind zerbrechlich und können in Stromkreisen mit geringem Stromverbrauch verwendet werden.
  • Die Frequenz der Schwingungen kann nicht nennenswert verändert werden.

Frequenzstabilität eines Oszillators

Es wird erwartet, dass ein Oszillator seine Frequenz für eine längere Dauer ohne Variationen beibehält, um einen gleichmäßigeren Sinuswellenausgang für den Schaltungsbetrieb zu erhalten. Daher ist der Begriff Frequenzstabilität sehr wichtig, wenn es um Oszillatoren geht, ob sinusförmig oder nicht sinusförmig.

Die Frequenzstabilität eines Oszillators ist definiert als die Fähigkeit des Oszillators, die erforderliche Frequenz über ein langes Zeitintervall so konstant wie möglich zu halten. Versuchen wir, die Faktoren zu diskutieren, die diese Frequenzstabilität beeinflussen.

Änderung des Betriebspunkts

Wir sind bereits auf die Transistorparameter gestoßen und haben gelernt, wie wichtig ein Betriebspunkt ist. Die Stabilität dieses Arbeitspunkts für den Transistor, der in der Schaltung zur Verstärkung (BJT oder FET) verwendet wird, ist von höherer Bedeutung.

Der Betrieb des verwendeten aktiven Geräts wird so eingestellt, dass es im linearen Teil seiner Eigenschaften liegt. Dieser Punkt verschiebt sich aufgrund von Temperaturschwankungen und daher wird die Stabilität beeinträchtigt.

Temperaturschwankungen

Die Tankschaltung in der Oszillatorschaltung enthält verschiedene frequenzbestimmende Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten. Alle ihre Parameter sind temperaturabhängig. Aufgrund der Temperaturänderung werden ihre Werte beeinflusst. Dies bringt die Frequenzänderung der Oszillatorschaltung mit sich.

Aufgrund der Stromversorgung

Die Schwankungen der zugeführten Leistung wirken sich auch auf die Frequenz aus. Die Stromversorgungsschwankungen führen zu Schwankungen in V cc . Dies beeinflusst die Frequenz der erzeugten Schwingungen.

Um dies zu vermeiden, wird das geregelte Stromversorgungssystem implementiert. Dies wird kurz als RPS bezeichnet. Die Details der geregelten Stromversorgung wurden im Abschnitt Stromversorgung des Tutorials zu ELEKTRONISCHEN SCHALTUNGEN klar erläutert.

Änderung der Ausgangslast

Die Schwankungen des Ausgangswiderstands oder der Ausgangslast wirken sich auch auf die Frequenz des Oszillators aus. Wenn eine Last angeschlossen ist, ändert sich der effektive Widerstand des Tankkreises. Infolgedessen wird der Q-Faktor des LC-Schwingkreises geändert. Dies führt zu einer Änderung der Ausgangsfrequenz des Oszillators.

Änderungen der Kapazitäten zwischen Elementen

Zwischenelementkapazitäten sind die Kapazitäten, die sich in PN-Übergangsmaterialien wie Dioden und Transistoren entwickeln. Diese entstehen aufgrund der in ihnen während ihres Betriebs vorhandenen Ladung.

Die Zwischenelementkondensatoren ändern sich aus verschiedenen Gründen wie Temperatur, Spannung usw. Dieses Problem kann gelöst werden, indem der Sumpfkondensator an einen störenden Zwischenelementkondensator angeschlossen wird.

Wert von Q.

Der Wert von Q (Qualitätsfaktor) muss in Oszillatoren hoch sein. Der Wert von Q in abgestimmten Oszillatoren bestimmt die Selektivität. Da dieses Q direkt proportional zur Frequenzstabilität eines abgestimmten Schaltkreises ist, sollte der Wert von Q hoch gehalten werden.

Die Frequenzstabilität kann mathematisch dargestellt werden als:

$$ S_w = d \ theta / dw $$

Wobei dθ die Phasenverschiebung ist, die für eine kleine Frequenzänderung der Nennfrequenz f r eingeführt wird . Die Schaltung mit dem größeren Wert von (dθ / dw) hat eine stabilere Schwingungsfrequenz.