Pochopenie činnosti kryštálových oscilátorov
V tomto článku sa pokúsime hlbšie preniknúť do fungovania kryštálového oscilátora, no najprv preskúmame krivku závislosti reaktancie od frekvencie typického kryštálu. Vyzbrojení týmito vedomosťami sa pozrieme na dve rôzne topológie oscilátora a ppzrieme sa na to, ako architektúra obvodu núti kryštál kmitať pri určitej frekvencii. Na základe tohoto rozboru sa budeme môcť pozrieť na definíciu pre paralelné a sériové kryštály - dva technické termíny, ktoré môžu niekedy spôsobovať zmätok.
Kryštály majú dve rezonančné frekvencie
Zaujímavé, že? Na úvod sa teda pozrime na ekvivalentný elektrický obvod kryštálu, ktorý je znázornený na obrázku 1, no a potom sa pozreime na ďalšie detaily.
Obrázok 1.
Na základe tohto modelu môžeme nájsť krivku závislosti reaktancie od frekvencie typickej jednotky kryštálu, ako je znázornené na obrázku 2:
Obrázok 2.
Aby sme získali určitý prehľad o fungovaní kryštálu, predpokladajme, že kryštál je ideálny a Rm je zanedbateľné. Preto máme v dolnej vetve elektrického modelu kryštálu sériovo zapojené Lm a Cm. Keď sú Lm a Cm v sériovej rezonancii, ich impedancie sa navzájom rušia. Pri tejto frekvencii klesá impedancia dolnej vetvy a následne aj celková impedancia cez kryštál na nulu. To zodpovedá hodnote fs na obrázku 2, ktorá sa bežne označuje ako sériová rezonančná frekvencia kryštálu. Všimnite si, že Co nemá vplyv na hodnotu tejto frekvencie.
Tesne nad fs sa reaktancia Lm stáva väčšou ako reaktancia Cm a pozorujeme, že kryštál vykazuje indukčné správanie. Reaktancia tejto efektívnej indukčnosti (sériová kombinácia Lm a Cm) sa zvyšuje s frekvenciou a pri určitej frekvencii (fa) sa v modeli kryštálu rovná reaktancii Co. V tomto bode máme efektívne paralelný LC v rezonancii a celková impedancia kryštálu sa blíži k nekonečnu. Frekvencia fa sa nazýva antirezonančná frekvencia. Táto frekvencia je vždy vyššia ako sériová rezonančná frekvencia.
Pri akej frekvencii bude kryštál oscilovať?
Videli sme, že kryštály majú dva režimy rezonancie. Pri fs aj fa je impedancia kryštálu odporová. Pri fs je odpor minimálny, avšak pri antirezonančnej frekvencii sa ekvivalentná impedancia kryštálu blíži k nekonečnu.
Preto správna otázka, ktorú si teraz treba položiť, znie: Pri akej frekvencii bude kryštál kmitať, keď sa použije v obvode oscilátora?
No a odpoveď znie: závisí to od topológie oscilátora.
Pri frekvencii oscilácie musí byť zosilnenie slučky oscilátora rovné alebo väčšie ako jedna a jeho fázový posun by mal byť integrálnym násobkom 2π (kladná spätná väzba). Tieto podmienky určujú oscilačnú frekvenciu kryštálu.
Ako príklad uveďme oscilátor znázornený na obrázku 3.
Obrázok 3.
V tomto prípade je fázový posun zosilňovacieho stupňa integrálnym násobkom 2π. Preto by pri frekvencii kmitania mal byť fázový posun spôsobený kryštálom a R1 nulový. Tento nulový fázový posun možno dosiahnuť pri frekvenciách, pri ktorých má kryštál čisto odporovú impedanciu fs a fa.
Pri fs je impedancia kryštálu minimálna, a preto má delič napätia vytvorený kryštálom a R1 väčšie zosilnenie, ako je znázornené na obrázku vyššie. Preto pri uvedenom usporiadaní môže obvod oscilovať pri fs. Ďalšia topológia oscilátora, všeobecne známa ako oscilátor Pierce-Gate, je znázornená na obrázku 4.
Obrázok 4.
Pri tejto topológii poskytuje zosilňovač fázový posun 180°. Preto by sieť Rs, C2, C1 a kryštál mala zabezpečiť dodatočný fázový posun 180°, aby bola splnená podmienka fázy oscilácie. Keď výstupný signál zosilňovača prechádza spätnou väzbou, dochádza k určitému fázovému posunu od kombinácie kryštálu a C1. Veľkosť tohto fázového posunu závisí od frekvencie signálu.
Pod fs sa kryštál správa ako kondenzátor a fázový posun od X1 a C1 je takmer 0°. Pri fs má kryštál odporovú impedanciu a tento fázový posun je približne 90°. Nad fs vykazuje kryštál indukčné správanie a fázový posun sa môže blížiť k 180°. V praxi je fázový posun zabezpečený Rs a C2 menší ako 90°, a preto kombinácia X1 a C1 musí zabezpečiť viac ako 90°. Preto musí kryštál pracovať niekde vo svojej indukčnej oblasti (medzi fs a fa na obrázku 2).
Paralelne rezonančné a sériovo rezonančné oscilátory
Z vyššie uvedenej diskusie vyplýva, že kremíkový kryštál môže kmitať pri akejkoľvek frekvencii medzi sériovou rezonančnou frekvenciou fs a antirezonančnou frekvenciou fa v závislosti od topológie oscilátora. Mnohé bežné oscilačné obvody, ako napríklad oscilátory Pierceovho, Colpittovho a Clappovho typu, pracujú s kryštálom v oblasti medzi fs a fa. Táto oblasť sa zvyčajne nazýva "oblasť paralelnej rezonancie" a oscilátory, ktoré nútia kryštál pracovať v tejto oblasti, sa nazývajú "paralelno-rezonančné oscilátory". Oscilátory, ktoré nútia kryštál pracovať v oblasti fs, nie sú veľmi rozšírené. Tieto oscilátory sa označujú ako "sériovo rezonančné oscilátory". Stojí za zmienku, že antirezonančný bod sa v konštrukciách oscilátorov nepoužíva.
Paralelné a sériové rezonančné kryštály
V odvetví výroby kryštálov existujú dva technické termíny, ktoré môžu občas spôsobiť zmätok: "paralelne rezonančný kryštál" (alebo jednoducho paralelný kryštál) a "sériovo rezonančný kryštál" (alebo sériový kryštál).
Paralelné kryštály sú určené na použitie v paralelne rezonančných oscilátoroch. Keďže paralelno-rezonančný oscilátor prevádzkuje kryštál niekde medzi fs a fa, nominálna frekvencia paralelného kryštálu je frekvencia v tomto rozsahu, t. j. v "oblasti paralelnej rezonancie" kryštálu. Na druhej strane, sériový kryštál je určený na použitie v sériovo rezonančných oscilátoroch. Preto je menovitá frekvencia kryštálu rovnaká ako jeho sériová rezonančná frekvencia fs.
Existuje nejaký fyzikálny rozdiel medzi týmito dvoma typmi kryštálov?
Vieme, že každý kryštál má svoju špecifickú sériovú rezonančnú frekvenciu a "oblasť paralelnej rezonancie" a že daný kryštál môžeme prevádzkovať pri ktorejkoľvek z týchto dvoch rezonančných podmienok. Vo fyzikálnej štruktúre paralelných a sériových kryštálov teda nie je žiadny rozdiel. Teda tieto dva pojmy sa týkajú len podmienok, za ktorých bude kryštál kmitať pri svojej nominálnej frekvencii. Uvádzajú, pri akom type topológie oscilátora dosiahne kryštál svoju nominálnu frekvenciu? Je to paralelne rezonančný oscilátor alebo sériovo rezonančný typ?
Záťažová kapacita
Kapacita záťaže označuje veľkosť externej kapacity, ktorú by mal kryštál "vidieť" na svojich svorkách. Pri sériových rezonančných oscilátoroch nie sú v ceste spätnej väzby oscilátora žiadne reaktívne zložky (pozri príklad oscilátora na obrázku 3). Preto pri sériových kryštáloch nie je kapacita záťaže dôležitá a neuvádza sa.
Pri paralelnom kryštáli je však kapacita záťaže kľúčovým parametrom, pretože v tomto prípade sa kryštál používa v indukčnej oblasti svojej reaktančnej krivky a kryštál tvorí LC zádrž s externou kapacitou záťaže. Preto hodnota záťažovej kapacity zohráva kľúčovú úlohu a určuje frekvenciu kmitania.
Paralelný kryštál je v skutočnosti kalibrovaný vo výrobe tak, aby kmital pri svojej nominálnej frekvencii, keď je pripojený k špecifikovanej kapacite záťaže, ktorú je možné jednoducho vypočítať - klikni. Aby sme dosiahli nominálnu frekvenciu, naša aplikačná doska by mala poskytovať rovnakú kapacitu záťaže.
Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 360.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.
Kontaktujte nás!
Komentár môžete adresovať buď diskutujúcemu priamo pomocou tlačidla „Odpovedať“, alebo ho môžete adresovať všeobecne do poľa nižšie.