คริสตัลออสซิลเลเตอร์
เมื่อใดก็ตามที่ออสซิลเลเตอร์อยู่ภายใต้การทำงานอย่างต่อเนื่อง frequency stabilityได้รับผลกระทบ มีการเปลี่ยนแปลงความถี่เกิดขึ้น ปัจจัยหลักที่มีผลต่อความถี่ของออสซิลเลเตอร์คือ
- รูปแบบของแหล่งจ่ายไฟ
- การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ
- การเปลี่ยนแปลงความต้านทานโหลดหรือเอาต์พุต
ในออสซิลเลเตอร์ RC และ LC ค่าของความต้านทานความจุและความเหนี่ยวนำจะแปรผันตามอุณหภูมิและด้วยเหตุนี้ความถี่จึงได้รับผลกระทบ เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้จึงมีการใช้ผลึกไฟฟ้าแบบเพียโซในออสซิลเลเตอร์
การใช้ผลึกไฟฟ้าแบบเพียโซในวงจรเรโซแนนซ์แบบขนานให้เสถียรภาพความถี่สูงในออสซิลเลเตอร์ ออสซิลเลเตอร์ดังกล่าวเรียกว่าCrystal Oscillators.
คริสตัลออสซิลเลเตอร์
หลักการของคริสตัลออสซิลเลเตอร์ขึ้นอยู่กับ Piezo electric effect. รูปทรงธรรมชาติของคริสตัลเป็นหกเหลี่ยม เมื่อแผ่นเวเฟอร์คริสตัลโค้งตั้งฉากกับแกน X จะเรียกว่า X-cut และเมื่อตัดตามแนวแกน Y จะเรียกว่า Y-cut
คริสตัลที่ใช้ในคริสตัลออสซิลเลเตอร์แสดงคุณสมบัติที่เรียกว่าคุณสมบัติไฟฟ้า Piezo ดังนั้นให้เรามีแนวคิดเกี่ยวกับเอฟเฟกต์ไฟฟ้าแบบเพียโซ
Piezo Electric เอฟเฟกต์
คริสตัลแสดงคุณสมบัติที่ว่าเมื่อความเค้นเชิงกลถูกนำไปใช้กับหนึ่งในใบหน้าของคริสตัลความต่างศักย์จะถูกพัฒนาขึ้นบนใบหน้าตรงข้ามของคริสตัล ในทางกลับกันเมื่อความต่างศักย์ถูกนำไปใช้กับใบหน้าใดใบหน้าหนึ่งความเครียดเชิงกลจะเกิดขึ้นกับใบหน้าอื่น ๆ นี้เรียกว่าPiezo electric effect.
วัสดุที่เป็นผลึกบางอย่างเช่นเกลือ Rochelle ควอตซ์และทัวร์มาลีนจัดแสดงผลไฟฟ้าแบบ piezo และวัสดุดังกล่าวเรียกว่าเป็น Piezo electric crystals. ควอตซ์เป็นคริสตัลไฟฟ้าแบบเพียโซที่นิยมใช้มากที่สุดเนื่องจากมีราคาไม่แพงและหาได้ง่ายในธรรมชาติ
เมื่อคริสตัลไฟฟ้าแบบเพียโซอยู่ภายใต้ศักย์ไฟฟ้าสลับที่เหมาะสมมันจะสั่นโดยอัตโนมัติ แอมพลิจูดของการสั่นสะเทือนเชิงกลจะสูงสุดเมื่อความถี่ของแรงดันไฟฟ้าสลับเท่ากับความถี่ธรรมชาติของคริสตัล
การทำงานของผลึกควอตซ์
ในการทำให้คริสตัลทำงานในวงจรอิเล็กทรอนิกส์คริสตัลจะถูกวางไว้ระหว่างแผ่นโลหะสองแผ่นในรูปแบบของตัวเก็บประจุ Quartzเป็นคริสตัลประเภทที่ใช้กันมากที่สุดเนื่องจากความพร้อมใช้งานและลักษณะที่แข็งแกร่งในขณะที่ราคาไม่แพง แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับจะใช้คู่ขนานกับคริสตัล
การจัดเรียงวงจรของผลึกควอตซ์จะเป็นดังที่แสดงด้านล่าง -
หากใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับคริสตัลจะเริ่มสั่นที่ความถี่ของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ อย่างไรก็ตามหากความถี่ของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ทำเท่ากับความถี่ธรรมชาติของคริสตัลresonanceเกิดขึ้นและการสั่นสะเทือนของคริสตัลถึงค่าสูงสุด ความถี่ธรรมชาตินี้เกือบคงที่
วงจรเทียบเท่าของคริสตัล
ถ้าเราพยายามแทนคริสตัลด้วยวงจรไฟฟ้าที่เท่ากันเราต้องพิจารณาสองกรณีคือเมื่อมันสั่นและเมื่อไม่สั่น ตัวเลขด้านล่างแสดงสัญลักษณ์และวงจรเทียบเท่าไฟฟ้าของคริสตัลตามลำดับ
วงจรสมมูลข้างต้นประกอบด้วยชุดวงจร RLC ในแบบคู่ขนานกับความจุ C เมตร เมื่อคริสตัลที่ติดตั้งทั่วแหล่ง AC ไม่ได้สั่นก็จะเทียบเท่ากับความจุ C เมตร เมื่อคริสตัลสั่นจะทำหน้าที่เหมือนวงจร RLC ที่ปรับแล้ว
การตอบสนองความถี่
การตอบสนองความถี่ของคริสตัลดังแสดงด้านล่าง กราฟแสดงค่ารีแอกแตนซ์ (X Lหรือ X C ) เทียบกับความถี่ (f) เห็นได้ชัดว่าคริสตัลมีความถี่เรโซแนนซ์สองความถี่ที่ห่างกันอย่างใกล้ชิด
อันแรกคือความถี่เรโซแนนซ์อนุกรม (f s ) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อรีแอคแตนซ์ของความเหนี่ยวนำ (L) เท่ากับรีแอคแตนซ์ของความจุ C ในกรณีนั้นอิมพีแดนซ์ของวงจรสมมูลจะเท่ากับความต้านทาน R และ ความถี่ของการสั่นจะได้รับจากความสัมพันธ์
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
ที่สองคือสะท้อนความถี่แบบคู่ขนาน (ฉพี ) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อปฏิกิริยาของสาขา RLC เท่ากับปฏิกิริยาของตัวเก็บประจุซีม ที่ความถี่นี้คริสตัลให้ความต้านทานต่อวงจรภายนอกสูงมากและความถี่ของการสั่นจะได้รับจากความสัมพันธ์
$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L.C_T}} $$
ที่ไหน
$$ C_T = \ frac {C C_m} {(C + C_m)} $$
ค่าของ C mมักจะใหญ่มากเมื่อเทียบกับ C ดังนั้นค่าของ C Tจึงเท่ากับ C โดยประมาณและด้วยเหตุนี้ความถี่เรโซแนนซ์ของอนุกรมจึงเท่ากับความถี่เรโซแนนซ์ขนานโดยประมาณ (เช่น f s = f p )
วงจร Crystal Oscillator
วงจรออสซิลเลเตอร์คริสตัลสามารถสร้างได้หลายวิธีเช่นออสซิลเลเตอร์คอลเลกชันที่ควบคุมด้วยคริสตัล, ออสซิลเลเตอร์คริสตัล Colpitts, ออสซิลเลเตอร์คริสตัล Clap เป็นต้น แต่ transistor pierce crystal oscillatorเป็นวิธีที่ใช้บ่อยที่สุด นี่คือวงจรที่ปกติเรียกว่าวงจรออสซิลเลเตอร์คริสตัล
แผนภาพวงจรต่อไปนี้แสดงการจัดเรียงของทรานซิสเตอร์เพียร์ซคริสตัลออสซิลเลเตอร์
ในวงจรนี้คริสตัลจะเชื่อมต่อเป็นองค์ประกอบชุดในเส้นทางป้อนกลับจากตัวเก็บรวบรวมไปยังฐาน ตัวต้านทาน R 1 , R 2และ R Eเป็นตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าที่เสถียรวงจรไบแอส dc ตัวเก็บประจุ C Eให้บายพาส ac ของตัวต้านทานอีซีแอลและขดลวด RFC (โช้กความถี่วิทยุ) ให้สำหรับ dc bias ในขณะที่แยกสัญญาณ ac บนสายไฟไม่ให้ส่งผลกระทบต่อสัญญาณเอาต์พุต ตัวเก็บประจุแบบมีเพศสัมพันธ์ C มีความต้านทานเล็กน้อยที่ความถี่ในการทำงานของวงจร แต่บล็อก dc ใด ๆ ระหว่างตัวสะสมและฐาน
ความถี่วงจรของการสั่นถูกกำหนดโดยความถี่เรโซแนนซ์แบบอนุกรมของคริสตัลและค่าของมันจะถูกกำหนดโดยความสัมพันธ์
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
อาจสังเกตได้ว่าการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าพารามิเตอร์ของอุปกรณ์ทรานซิสเตอร์ ฯลฯ ไม่มีผลกระทบต่อความถี่ในการทำงานของวงจรซึ่งจะถูกทำให้เสถียรโดยคริสตัล
ข้อดี
ข้อดีของคริสตัลออสซิลเลเตอร์มีดังนี้ -
- พวกเขามีความเสถียรของความถี่สูง
- ปัจจัยคุณภาพ (Q) ของคริสตัลสูงมาก
ข้อเสีย
ข้อเสียของคริสตัลออสซิลเลเตอร์มีดังนี้ -
- พวกมันเปราะบางและสามารถใช้ในวงจรพลังงานต่ำได้
- ความถี่ของการสั่นไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างน่าชื่นชม
เสถียรภาพความถี่ของออสซิลเลเตอร์
คาดว่าออสซิลเลเตอร์จะคงความถี่ไว้เป็นระยะเวลานานขึ้นโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ เพื่อให้ได้เอาต์พุตคลื่นไซน์ที่ชัดเจนยิ่งขึ้นสำหรับการทำงานของวงจร ดังนั้นความเสถียรของความถี่ระยะจึงมีความสำคัญมากเมื่อพูดถึงออสซิลเลเตอร์ไม่ว่าจะเป็นไซน์หรือไม่ใช่ไซน์
เสถียรภาพความถี่ของออสซิลเลเตอร์หมายถึงความสามารถของออสซิลเลเตอร์ในการรักษาค่าคงที่ความถี่ที่ต้องการในช่วงเวลาที่ยาวนานที่สุดเท่าที่จะทำได้ ให้เราลองหารือเกี่ยวกับปัจจัยที่มีผลต่อเสถียรภาพความถี่นี้
เปลี่ยนจุดปฏิบัติการ
เราได้พบพารามิเตอร์ทรานซิสเตอร์แล้วและได้เรียนรู้ว่าจุดปฏิบัติการมีความสำคัญอย่างไร ความเสถียรของจุดปฏิบัติการนี้สำหรับทรานซิสเตอร์ที่ใช้ในวงจรสำหรับการขยายสัญญาณ (BJT หรือ FET) เป็นสิ่งที่ต้องพิจารณาสูงกว่า
การทำงานของอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่ได้รับการปรับให้อยู่ในส่วนเชิงเส้นของลักษณะเฉพาะ จุดนี้ถูกเลื่อนเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและส่งผลต่อเสถียรภาพ
การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ
วงจรถังในวงจรออสซิลเลเตอร์ประกอบด้วยส่วนประกอบที่กำหนดความถี่ต่างๆเช่นตัวต้านทานตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำ พารามิเตอร์ทั้งหมดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิค่าของมันจึงได้รับผลกระทบ สิ่งนี้นำมาซึ่งการเปลี่ยนแปลงความถี่ของวงจรออสซิลเลเตอร์
เนื่องจากแหล่งจ่ายไฟ
ความแปรผันของกำลังไฟฟ้าที่ให้มาจะส่งผลต่อความถี่ด้วย รูปแบบแหล่งจ่ายไฟนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในวีซีซี สิ่งนี้จะส่งผลต่อความถี่ของการสั่นที่เกิดขึ้น
เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ระบบจ่ายไฟที่มีการควบคุมจะถูกนำมาใช้ เรียกสั้น ๆ ว่า RPS รายละเอียดของแหล่งจ่ายไฟที่มีการควบคุมได้รับการกล่าวถึงอย่างชัดเจนในส่วนแหล่งจ่ายไฟของบทช่วยสอนวงจรอิเล็กทรอนิกส์
เปลี่ยนโหลดเอาต์พุต
ความแตกต่างของความต้านทานเอาต์พุตหรือโหลดเอาต์พุตมีผลต่อความถี่ของออสซิลเลเตอร์ด้วย เมื่อเชื่อมต่อโหลดความต้านทานที่มีประสิทธิภาพของวงจรถังจะเปลี่ยนไป เป็นผลให้ Q-factor ของวงจรปรับ LC เปลี่ยนไป ส่งผลให้ความถี่เอาต์พุตของออสซิลเลเตอร์เปลี่ยนไป
การเปลี่ยนแปลงความจุระหว่างองค์ประกอบ
ความจุระหว่างองค์ประกอบคือความจุที่พัฒนาในวัสดุทางแยก PN เช่นไดโอดและทรานซิสเตอร์ สิ่งเหล่านี้ได้รับการพัฒนาเนื่องจากมีประจุอยู่ในระหว่างการทำงาน
ตัวเก็บประจุระหว่างองค์ประกอบได้รับการเปลี่ยนแปลงเนื่องจากสาเหตุหลายประการเช่นอุณหภูมิแรงดันไฟฟ้า ฯลฯ ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยการเชื่อมต่อตัวเก็บประจุแบบล้นกับตัวเก็บประจุระหว่างองค์ประกอบที่กระทำผิด
มูลค่าของ Q
ค่า Q (ปัจจัยคุณภาพ) ต้องสูงในออสซิลเลเตอร์ ค่าของ Q ในออสซิลเลเตอร์ที่ปรับแล้วเป็นตัวกำหนดความสามารถในการเลือก เนื่องจาก Q นี้เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเสถียรของความถี่ของวงจรที่ปรับแล้วจึงควรรักษาค่าของ Q ให้สูง
เสถียรภาพความถี่สามารถแสดงทางคณิตศาสตร์เป็น
$$ S_w = d \ theta / dw $$
ที่ไหนdθเป็นกะระยะที่นำมาใช้สำหรับการเปลี่ยนแปลงความถี่ขนาดเล็กในความถี่ที่ระบุฉR วงจรที่ให้ค่าที่มากกว่า (dθ / dw) มีความถี่การสั่นที่เสถียรกว่า