Кварцевые генераторы

Одной из наиболее важных особенностей любого генератора является его  стабильность частоты или, другими словами, его способность обеспечивать выходную постоянную частоту при изменяющихся условиях нагрузки.

Кварцевые генераторы преодолевают некоторые факторы, влияющие на стабильность частоты генератора. Обычно они включают в себя: изменения температуры, изменения нагрузки, а также изменения напряжения питания постоянного тока, и это лишь некоторые из них.

Стабильность частоты выходного сигнала может быть значительно улучшена за счет правильного выбора компонентов, используемых для схемы резонансной обратной связи, включая усилитель. Но есть предел стабильности, которую можно получить от обычных схем бака LC и RC.

Чтобы получить очень высокий уровень стабильности генератора,  кварцевый кристалл  обычно используется в качестве устройства определения частоты для создания другого типа схемы генератора, известного как  кварцевый генератор (XO).

Когда источник напряжения прикладывается к небольшому тонкому кусочку кристалла кварца, он начинает менять форму, создавая характеристику, известную как пьезоэлектрический  эффект . Этот пьезоэлектрический эффект — это свойство кристалла, благодаря которому электрический заряд создает механическую силу, изменяя форму кристалла, и наоборот, механическая сила, приложенная к кристаллу, создает электрический заряд.

Тогда пьезоэлектрические устройства можно классифицировать как преобразователи, поскольку они преобразуют энергию одного вида в энергию другого (электрическую в механическую или механическую в электрическую). Этот пьезоэлектрический эффект создает механические вибрации или колебания, которые можно использовать для замены стандартной  схемы LC-  резервуара в предыдущих генераторах.

Существует множество различных типов кристаллических веществ, которые можно использовать в качестве генераторов, наиболее важными из которых для электронных схем являются минералы кварца, отчасти из-за их большей механической прочности.

Кристалл кварца, используемый в  кварцевом генераторе,  представляет собой очень маленький, тонкий кусок или пластину ограненного кварца с двумя параллельными поверхностями, металлизированными для создания необходимых электрических соединений. Физический размер и толщина куска кристалла кварца строго контролируются, поскольку они влияют на конечную или основную частоту колебаний. Фундаментальную частоту обычно называют «характеристической частотой» кристаллов.

После того, как кристалл разрезан и сформирован, его нельзя использовать ни на какой другой частоте. Другими словами, его размер и форма определяют его основную частоту колебаний.

Характеристика кристалла или характеристическая частота обратно пропорциональна его физической толщине между двумя металлизированными поверхностями. Механически колеблющийся кристалл можно представить эквивалентной электрической цепью, состоящей из низкого сопротивления  R , большой индуктивности  L  и малой емкости  C  , как показано ниже.

Эквивалентная модель кристалла кварца

Эквивалентная электрическая схема кристалла кварца представляет собой последовательную  цепь RLC  , которая представляет механические колебания кристалла, параллельно с емкостью  Cp ,  которая представляет собой электрические соединения с кристаллом. Кварцевые генераторы имеют тенденцию работать в направлении «последовательного резонанса».

Эквивалентный импеданс кристалла имеет последовательный резонанс, где  Cs  резонирует с индуктивностью  Ls  на рабочей частоте кристалла. Эта частота называется частотой серии кристаллов,  ƒs . Помимо этой последовательной частоты, существует вторая частотная точка, возникающая в результате параллельного резонанса, возникающего, когда  Ls  и  Cs  резонируют с параллельным конденсатором  Cp  , как показано.

Импеданс кристалла в зависимости от частоты

Наклон импеданса кристалла выше показывает, что частота увеличивается на его выводах. На определенной частоте взаимодействие последовательного конденсатора  Cs  и катушки индуктивности  Ls  создает последовательный резонансный контур, снижающий сопротивление кристалла до минимума и равного  Rs . Эта частотная точка называется резонансной частотой серии кристаллов  ƒs  , а ниже  ƒs  кристалл является емкостным.

Когда частота увеличивается выше этой точки последовательного резонанса, кристалл ведет себя как индуктор до тех пор, пока частота не достигнет своей параллельной резонансной частоты  ƒp . В этой частотной точке взаимодействие между последовательным индуктором  Ls  и параллельным конденсатором  Cp  создает параллельно настроенную цепь LC-резервуара, и поэтому полное сопротивление кристалла достигает максимального значения.

Тогда мы видим, что кристалл кварца представляет собой комбинацию последовательно и параллельно настроенных резонансных контуров, колеблющихся на двух разных частотах, причем очень небольшая разница между ними зависит от огранки кристалла. Кроме того, поскольку кристалл может работать как на последовательных, так и на параллельных резонансных частотах, схему кварцевого генератора необходимо настроить на одну или другую частоту, поскольку вы не можете использовать обе частоты вместе.

Таким образом, в зависимости от характеристик схемы кристалл кварца может действовать либо как конденсатор, либо как катушка индуктивности, либо как последовательный резонансный контур, либо как параллельный резонансный контур. Чтобы продемонстрировать это более наглядно, мы также можем построить график зависимости реактивного сопротивления кристалла от частоты, как показано.

Реактивное сопротивление кристалла в зависимости от частоты

Наклон реактивного сопротивления в зависимости от частоты, указанный выше, показывает, что последовательное реактивное сопротивление на частоте  ƒs  обратно пропорционально  Cs  , поскольку ниже  ƒs  и выше  ƒp  кристалл кажется емкостным. Между частотами  ƒs  и  ƒp кристалл кажется индуктивным, поскольку две параллельные емкости компенсируются.

Тогда формула для резонансной частоты серии кристаллов  ƒs  задается как:

Резонансная частота серии

Параллельная резонансная частота  ƒp  возникает, когда реактивное сопротивление последовательного плеча LC равно реактивному сопротивлению параллельного конденсатора  Cp  и определяется как:

Параллельная резонансная частота

Пример кварцевого генератора №1

Кристалл кварца имеет следующие значения:  Rs = 6,4 Ом ,  Cs = 0,09972 пФ  и  Ls = 2,546 мГн . Если емкость на его выводе  Cp  измерена равной  28,68 пФ , рассчитайте основную частоту колебаний кристалла и его вторичную резонансную частоту.

Резонансная частота ряда кристаллов,  ƒ S

Параллельная резонансная частота кристалла,  ƒ P

Мы видим, что разница между  ƒs , основной частотой кристалла, и  ƒp  невелика и составляет около 18 кГц (10,005–9,987 МГц). Однако в этом диапазоне частот добротность (добротность) кристалла чрезвычайно высока, поскольку индуктивность кристалла намного превышает его емкостные или резистивные значения. Добротность нашего кристалла на частоте последовательного резонанса определяется как:

Кварцевые генераторы

Тогда добротность нашего примера с кристаллом около 25 000 обусловлена ​​высоким   соотношением X L / R. Добротность большинства кристаллов находится в пределах от 20 000 до 200 000 по сравнению с хорошей LC-схемой, которую мы рассматривали ранее, которая будет намного меньше 1000. Такое высокое значение добротности также способствует большей частотной стабильности кристалла на его рабочей частоте, что делает его идеальным для построения схем кварцевых генераторов.

Итак, мы увидели, что кристалл кварца имеет резонансную частоту, аналогичную частоте электрически настроенного контура LC-резервуара, но с гораздо более высокой  добротностью  . Это связано главным образом с его низким последовательным сопротивлением,  Rs . В результате кристаллы кварца являются отличным выбором компонентов для использования в генераторах, особенно в генераторах очень высокой частоты.

Типичные кварцевые генераторы могут иметь частоту колебаний от примерно 40 кГц до более 100 МГц в зависимости от конфигурации их схемы и используемого усилительного устройства. Огранка кристалла также определяет его поведение, поскольку некоторые кристаллы вибрируют более чем на одной частоте, создавая дополнительные колебания, называемые обертонами.

Кроме того, если кристалл не имеет параллельной или одинаковой толщины, он может иметь две или более резонансных частот, причем основная частота создает так называемые гармоники, такие как вторая или третья гармоники.

Обычно основная частота колебаний кристалла кварца намного сильнее или выраженнее, чем частота колебаний вторичных гармоник вокруг него, поэтому следует использовать именно эту частоту. На графиках выше мы видели, что эквивалентная схема кристалла имеет три реактивных компонента, два конденсатора плюс катушку индуктивности, поэтому существует две резонансные частоты: самая низкая — последовательная резонансная частота, а самая высокая — параллельная резонансная частота.

В предыдущих уроках мы видели, что схема усилителя будет колебаться, если ее коэффициент усиления контура больше или равен единице и обратная связь положительна. В  схеме кварцевого кварцевого генератора  генератор будет колебаться на основной параллельной резонансной частоте кристалла, поскольку кристалл всегда хочет колебаться, когда к нему подается источник напряжения.

Однако также возможно «настроить» кварцевый генератор на любую четную гармонику основной частоты (2-ю, 4-ю, 8-ю и т. д.), и они обычно известны как гармонические генераторы, в то время как обертонные генераторы вибрируют с нечетными  кратными  основной  частоте  . , 3, 5, 11 и т. д.). Как правило, кварцевые генераторы, работающие на обертонных частотах, делают это, используя свою последовательную резонансную частоту.

Кварцевый генератор Колпитса

Схемы кварцевых генераторов  обычно строятся с использованием биполярных транзисторов или полевых транзисторов. Это связано с тем, что, хотя операционные усилители могут использоваться во многих различных низкочастотных (<100 кГц) схемах генераторов, операционные усилители просто не имеют достаточной полосы пропускания для успешной работы на более высоких частотах, подходящих для кристаллов с частотой выше 1 МГц.

Конструкция  кварцевого генератора  очень похожа на конструкцию генератора Колпитса, который мы рассматривали в предыдущем уроке, за исключением того, что  схема LC-  резервуара, обеспечивающая колебания обратной связи, была заменена кварцевым кристаллом, как показано ниже.

Кварцевый генератор Колпитса

Этот тип  кварцевых генераторов  построен на основе усилителя с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Сеть  резисторов R 1  и  R 2  устанавливает уровень смещения постоянного тока на базе, а резистор эмиттера  RE устанавливает  уровень выходного напряжения. Резистор  R 2  устанавливают как можно большего размера, чтобы исключить нагрузку на параллельно включенный кристалл.

Транзистор 2N4265 представляет собой NPN-транзистор общего назначения, подключенный в конфигурации с общим коллектором и способный работать на скоростях переключения более 100 МГц, что значительно выше основной частоты кристалла, которая может находиться между примерно 1 МГц и 5 МГц.

На приведенной выше принципиальной схеме  кварцевого генератора Колпитца  показано, что конденсаторы  C1  и  C2  шунтируют выход транзистора, что уменьшает сигнал обратной связи. Следовательно, коэффициент усиления транзистора ограничивает максимальные значения  C1  и  C2 . Выходную амплитуду следует поддерживать низкой, чтобы избежать чрезмерного рассеивания мощности в кристалле, иначе он может разрушиться из-за чрезмерной вибрации.

Осциллятор Пирса

Другой распространенной конструкцией кварцевого генератора является  генератор Пирса . Генератор Пирса по конструкции очень похож на предыдущий генератор Колпитца и хорошо подходит для реализации схем кварцевого генератора, использующих кристалл как часть цепи обратной связи.

Генератор Пирса представляет собой, прежде всего, последовательную резонансную настроенную схему (в отличие от параллельного резонансного контура генератора Колпитца), в которой в качестве основного усилительного устройства используется полевой транзистор, поскольку полевые транзисторы обеспечивают очень высокие входные импедансы, а кристалл подключен между стоком и затвором через конденсатор C1  ,  поскольку показано ниже.

Кварцевый генератор Пирса

В этой простой схеме кристалл определяет частоту колебаний и работает на своей последовательной резонансной частоте,  обеспечивая  путь с низким импедансом между выходом и входом. При резонансе происходит сдвиг фазы на 180 °  , что делает обратную связь положительной. Амплитуда выходной синусоидальной волны ограничена максимальным диапазоном напряжения на клемме стока.

Резистор  R1  контролирует величину обратной связи и возбуждения кристалла, в то время как напряжение на радиочастотном дросселе  RFC  меняется на противоположное во время каждого цикла. В большинстве цифровых часов и таймеров в той или иной форме используется генератор Пирса, поскольку его можно реализовать с использованием минимума компонентов.

Помимо использования транзисторов и полевых транзисторов, мы также можем создать простой базовый кварцевый генератор с параллельным резонансом, аналогичный по работе генератору Пирса, используя КМОП-инвертор в качестве элемента усиления. Базовый кварцевый генератор состоит из одного инвертирующего логического элемента триггера Шмитта, такого как TTL 74HC19 или CMOS типов 40106, 4049, индуктивного кристалла и двух конденсаторов. Эти два конденсатора определяют величину нагрузочной емкости кристаллов. Последовательный резистор помогает ограничить ток возбуждения в кристалле, а также изолирует выход инвертора от комплексного импеданса, образуемого сетью конденсатор-кристалл.

КМОП-кварцевый генератор

Кристалл колеблется на своей последовательной резонансной частоте. КМОП-инвертор первоначально смещается в середину своей рабочей области резистором обратной связи  R1 . Это гарантирует, что точка Q инвертора находится в области высокого усиления. Здесь используется резистор сопротивлением 1 МОм, но его номинал не имеет решающего значения, если оно больше 1 МОм. Дополнительный инвертор используется для буферизации выходного сигнала генератора на подключенной нагрузке.

Инвертор обеспечивает фазовый сдвиг на 180 о  , а сеть кварцевых конденсаторов — дополнительные 180 о,  необходимые для генерации. Преимущество кварцевого генератора КМОП заключается в том, что он всегда автоматически подстраивается для поддержания этого сдвига фазы на 360 °  для генерации.

В отличие от предыдущих кварцевых генераторов на основе транзисторов, которые генерировали выходной сигнал синусоидальной формы, поскольку генератор КМОП-инвертора использует цифровые логические элементы, выходной сигнал представляет собой прямоугольную волну, колеблющуюся между ВЫСОКИМ и НИЗКИМ. Естественно, максимальная рабочая частота зависит от характеристик переключения используемого логического элемента.

Микропроцессорные кварцевые часы

Мы не можем закончить  урок по кварцевым генераторам  , не упомянув что-то о кварцевых часах микропроцессора. Практически все микропроцессоры, микроконтроллеры, PIC и ЦП обычно работают с использованием  кварцевого кварцевого генератора  в качестве устройства определения частоты для генерации тактового сигнала, поскольку, как мы уже знаем, кварцевые генераторы обеспечивают высочайшую точность и стабильность частоты по сравнению с резистором-конденсатором ( RC) или индукторно-емкостные, (LC) генераторы.

Тактовая частота процессора определяет, насколько быстро процессор может работать и обрабатывать данные с помощью микропроцессора, PIC или микроконтроллера с тактовой частотой 1 МГц означает, что он может обрабатывать данные внутри себя один миллион раз в секунду за каждый такт. Обычно все, что необходимо для создания тактового сигнала микропроцессора, — это кристалл и два керамических конденсатора емкостью от 15 до 33 пФ, как показано ниже.

Микропроцессорный генератор

Большинство микропроцессоров, микроконтроллеров и PIC имеют два вывода генератора, обозначенные  OSC1  и  OSC2  , для подключения к внешней кварцевой схеме, стандартной  сети RC-  генератора или даже к керамическому резонатору. В этом типе микропроцессорного приложения  кварцевый генератор  генерирует последовательность непрерывных прямоугольных импульсов, основная частота которых контролируется самим кристаллом. Эта основная частота регулирует поток инструкций, управляющих процессорным устройством. Например, главные часы и системное время.

Пример кварцевого генератора № 2

Кристалл кварца после резки имеет следующие значения:  Rs = 1 кОм ,  Cs = 0,05 пФ ,  Ls = 3H  и  Cp = 10 пФ . Рассчитайте серии кристаллов и параллельные частоты колебаний.

Частота последовательных колебаний определяется как:

Частота параллельных колебаний определяется как:

Тогда частота колебаний кристалла будет находиться в пределах от  411 кГц  до  412 кГц .