Bộ dao động tinh thể
Bất cứ khi nào một bộ dao động hoạt động liên tục, frequency stabilitybị ảnh hưởng. Có những thay đổi về tần số của nó. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến tần số của một dao động là
- Các biến thể cung cấp điện
- Thay đổi nhiệt độ
- Thay đổi về tải hoặc điện trở đầu ra
Trong bộ dao động RC và LC, các giá trị của điện trở, điện dung và độ tự cảm thay đổi theo nhiệt độ và do đó tần số bị ảnh hưởng. Để tránh vấn đề này, các tinh thể điện piezo đang được sử dụng trong các bộ dao động.
Việc sử dụng các tinh thể điện piezo trong các mạch cộng hưởng song song cung cấp sự ổn định tần số cao trong các bộ dao động. Các bộ dao động như vậy được gọi làCrystal Oscillators.
Bộ dao động tinh thể
Nguyên tắc của bộ dao động tinh thể phụ thuộc vào Piezo electric effect. Hình dạng tự nhiên của tinh thể là hình lục giác. Khi một wafer tinh thể cong vuông góc với trục X, nó được gọi là X-cut và khi nó bị cắt dọc theo trục Y, nó được gọi là Y.-cut.
Tinh thể được sử dụng trong bộ dao động tinh thể thể hiện một đặc tính được gọi là đặc tính điện Piezo. Vì vậy, hãy để chúng tôi có một ý tưởng về hiệu ứng điện piezo.
Hiệu ứng điện Piezo
Tinh thể thể hiện đặc tính là khi một ứng suất cơ học được tác dụng lên một trong các mặt của tinh thể, một sự khác biệt tiềm tàng được hình thành trên các mặt đối diện của tinh thể. Ngược lại, khi một sự chênh lệch tiềm năng được áp dụng trên một trong các mặt, ứng suất cơ học được tạo ra dọc theo các mặt còn lại. Điều này được gọi làPiezo electric effect.
Một số vật liệu kết tinh như muối Rochelle, thạch anh và tourmaline thể hiện hiệu ứng điện piezo và những vật liệu đó được gọi là Piezo electric crystals. Thạch anh là tinh thể điện piezo được sử dụng phổ biến nhất vì nó rẻ và sẵn có trong tự nhiên.
Khi một tinh thể điện piezo chịu một hiệu điện thế xoay chiều thích hợp, nó dao động cơ học. Biên độ của dao động cơ học trở thành cực đại khi tần số của hiệu điện thế xoay chiều bằng tần số riêng của tinh thể.
Làm việc của một tinh thể thạch anh
Để làm cho một tinh thể hoạt động trong một mạch điện tử, tinh thể được đặt giữa hai tấm kim loại dưới dạng một tụ điện. Quartzlà loại tinh thể được sử dụng nhiều nhất vì tính sẵn có và tính chất mạnh mẽ trong khi giá thành rẻ. Điện áp xoay chiều đặt song song vào tinh thể.
Sự sắp xếp mạch của một Tinh thể thạch anh sẽ như hình dưới đây -
Nếu đặt một điện áp xoay chiều, tinh thể bắt đầu dao động với tần số của điện áp đặt vào. Tuy nhiên, nếu tần số của điện áp đặt vào bằng tần số riêng của tinh thể,resonancediễn ra và dao động tinh thể đạt giá trị cực đại. Tần suất tự nhiên này gần như không đổi.
Mạch tương đương của một tinh thể
Nếu chúng ta cố gắng biểu diễn tinh thể bằng một mạch điện tương đương, chúng ta phải xem xét hai trường hợp, tức là khi nó dao động và khi nó không dao động. Các hình dưới đây đại diện cho ký hiệu và mạch điện tương đương của một tinh thể.
Đoạn mạch tương đương trên gồm đoạn mạch RLC nối tiếp song song có điện dung C m . Khi tinh thể treo qua nguồn xoay chiều không dao động thì nó có điện dung C m . Khi tinh thể dao động như một đoạn mạch RLC điều chỉnh.
Phản hồi thường xuyên
Đáp ứng tần số của một tinh thể như hình dưới đây. Biểu đồ cho thấy điện kháng (X L hoặc X C ) so với tần số (f). Rõ ràng là tinh thể có hai tần số cộng hưởng gần nhau.
Thứ nhất là tần số cộng hưởng nối tiếp (f s ), xuất hiện khi cảm kháng của cuộn cảm (L) bằng cảm kháng của điện dung C. Trong trường hợp đó, tổng trở của mạch tương đương bằng cảm kháng R và tần số của dao động được cho bởi quan hệ,
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
Thứ hai là tần số cộng hưởng song song (f p ), xuất hiện khi cảm kháng của nhánh RLC bằng cảm kháng của tụ C m . Ở tần số này, tinh thể tạo ra một trở kháng rất cao đối với mạch ngoài và tần số dao động được cho bởi quan hệ.
$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L.C_T}} $$
Ở đâu
$$ C_T = \ frac {C C_m} {(C + C_m)} $$
Giá trị của C m thường rất lớn so với C. Do đó, giá trị của C T xấp xỉ bằng C và do đó tần số cộng hưởng nối tiếp xấp xỉ bằng tần số cộng hưởng song song (tức là, f s = f p ).
Mạch dao động tinh thể
Một mạch dao động tinh thể có thể được xây dựng theo một số cách như bộ dao động thu được điều chỉnh bằng pha lê, bộ dao động tinh thể Colpitts, bộ dao động tinh thể Clap, v.v. Nhưng transistor pierce crystal oscillatorlà cái được sử dụng phổ biến nhất. Đây là mạch thường được gọi là mạch dao động tinh thể.
Sơ đồ mạch sau đây cho thấy sự sắp xếp của một bộ dao động tinh thể xuyên bóng bán dẫn.
Trong mạch này, tinh thể được kết nối như một phần tử nối tiếp trong đường phản hồi từ bộ thu đến đế. Các điện trở R 1 , R 2 và R E cung cấp cho mạch phân cực một chiều ổn định phân áp. Tụ điện C E cung cấp dòng điện xoay chiều của điện trở phát và cuộn dây RFC (cuộn cảm tần số vô tuyến) cung cấp phân cực một chiều trong khi tách bất kỳ tín hiệu xoay chiều nào trên đường dây điện khỏi ảnh hưởng đến tín hiệu đầu ra. Tụ điện ghép C có tổng trở không đáng kể ở tần số hoạt động của mạch. Nhưng nó chặn bất kỳ dc nào giữa bộ thu và đế.
Tần số của mạch dao động được đặt bởi tần số cộng hưởng nối tiếp của tinh thể và giá trị của nó được cho bởi quan hệ,
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
Có thể lưu ý rằng những thay đổi về điện áp cung cấp, thông số thiết bị bóng bán dẫn, v.v. không ảnh hưởng đến tần số hoạt động của mạch, được giữ ổn định bởi tinh thể.
Ưu điểm
Ưu điểm của bộ dao động tinh thể như sau:
- Chúng có độ ổn định tần số cao.
- Hệ số chất lượng (Q) của tinh thể rất cao.
Nhược điểm
Nhược điểm của bộ dao động tinh thể như sau:
- Chúng dễ vỡ và có thể được sử dụng trong các mạch công suất thấp.
- Tần số của dao động không thể thay đổi đáng kể.
Độ ổn định tần số của bộ tạo dao động
Bộ tạo dao động dự kiến sẽ duy trì tần số của nó trong thời gian dài hơn mà không có bất kỳ biến thể nào, để có đầu ra sóng hình sin rõ ràng mượt mà hơn cho hoạt động của mạch. Do đó, thuật ngữ ổn định tần số thực sự quan trọng rất nhiều, khi nói đến các bộ dao động, dù là hình sin hay không hình sin.
Độ ổn định tần số của một dao động được định nghĩa là khả năng của dao động đó để duy trì tần số cần thiết không đổi trong một khoảng thời gian dài nhất có thể. Chúng ta hãy thử thảo luận về các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định tần số này.
Thay đổi điểm hoạt động
Chúng ta đã xem qua các thông số của bóng bán dẫn và biết được tầm quan trọng của điểm hoạt động. Tính ổn định của điểm hoạt động này đối với bóng bán dẫn được sử dụng trong mạch khuếch đại (BJT hoặc FET), được xem xét cao hơn.
Hoạt động của thiết bị đang hoạt động được sử dụng được điều chỉnh theo phần tuyến tính của các đặc tính của nó. Điểm này bị thay đổi do sự thay đổi nhiệt độ và do đó độ ổn định bị ảnh hưởng.
Sự thay đổi nhiệt độ
Mạch bình trong mạch dao động, chứa các linh kiện xác định tần số khác nhau như điện trở, tụ điện và cuộn cảm. Tất cả các thông số của chúng đều phụ thuộc vào nhiệt độ. Do sự thay đổi nhiệt độ, giá trị của chúng bị ảnh hưởng. Điều này làm thay đổi tần số của mạch dao động.
Do nguồn điện
Các biến thể trong công suất cung cấp cũng sẽ ảnh hưởng đến tần số. Sự thay đổi nguồn cung cấp dẫn đến sự thay đổi về V cc . Điều này sẽ ảnh hưởng đến tần số của các dao động được tạo ra.
Để tránh điều này, hệ thống cung cấp điện theo quy định được thực hiện. Điều này được gọi ngắn gọn là RPS. Các chi tiết của nguồn điện được điều chỉnh đã được thảo luận rõ ràng trong phần cung cấp điện của hướng dẫn MẠCH ĐIỆN TỬ.
Thay đổi tải đầu ra
Các biến thể về điện trở đầu ra hoặc tải đầu ra cũng ảnh hưởng đến tần số của bộ dao động. Khi mắc một tải thì điện trở hiệu dụng của mạch bình bị thay đổi. Kết quả là, hệ số Q của mạch điều chỉnh LC bị thay đổi. Điều này dẫn đến sự thay đổi tần số đầu ra của bộ dao động.
Thay đổi điện dung giữa các phần tử
Điện dung giữa các phần tử là điện dung phát triển trong các vật liệu tiếp giáp PN như điốt và bóng bán dẫn. Chúng được phát triển do điện tích có trong chúng trong quá trình hoạt động.
Các tụ điện giữa các phần tử trải qua sự thay đổi do các lý do khác nhau như nhiệt độ, điện áp, v.v. Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách kết nối tụ điện đầm lầy với tụ điện liên phần tử vi phạm.
Giá trị của Q
Giá trị của Q (Hệ số chất lượng) phải cao trong bộ dao động. Giá trị của Q trong bộ dao động điều chỉnh xác định độ chọn lọc. Vì Q này tỷ lệ thuận với độ ổn định tần số của mạch điều chỉnh, giá trị của Q phải được duy trì ở mức cao.
Độ ổn định tần số có thể được biểu diễn bằng toán học là,
$$ S_w = d \ theta / dw $$
Trong đó dθ là độ dịch pha được đưa vào đối với sự thay đổi tần số nhỏ trong tần số danh định f r . Mạch cho giá trị càng lớn của (dθ / dw) thì tần số dao động càng ổn định.