Home / elektronika / Penjelasan Lengkap Quartz Crystal Oscillators

Penjelasan Lengkap Quartz Crystal Oscillators

kelas-fisika.com – Penjelasan Lengkap Quartz Crystal Oscillators

Salah satu fitur yang paling penting dari setiap osilator adalah stabilitas frekuensinya, atau dengan kata lain kemampuannya untuk menyediakan output frekuensi konstan dalam berbagai kondisi beban.

Beberapa faktor yang mempengaruhi stabilitas frekuensi osilator umumnya meliputi: variasi suhu, variasi beban, serta perubahan pada voltase catu daya DC untuk beberapa nama.

Stabilitas frekuensi sinyal output dapat sangat ditingkatkan dengan pemilihan komponen yang tepat yang digunakan untuk rangkaian umpan balik resonan, termasuk amplifier. Tapi ada batas stabilitas yang bisa didapat dari sirkuit tangki LC dan RC normal.

Untuk mendapatkan tingkat stabilitas osilator yang sangat tinggi, Quartz Crystal umumnya digunakan sebagai perangkat penentuan frekuensi untuk menghasilkan jenis rangkaian osilator lain yang dikenal umumnya sebagai Quartz Crystal Oscillator, (XO).

Bila sumber tegangan diaplikasikan pada kristal kuarsa tipis, ia mulai berubah bentuk sehingga menghasilkan karakteristik yang dikenal dengan efek Piezo-electric. Pengaruh Piezo-electric ini adalah sifat kristal dimana muatan listrik menghasilkan gaya mekanik dengan mengubah bentuk kristal dan sebaliknya, gaya mekanik yang diterapkan pada kristal menghasilkan muatan listrik.

Kemudian, perangkat piezo-listrik dapat digolongkan sebagai Transduser karena mengubah energi satu jenis menjadi energi yang lain (listrik menjadi mekanik atau mekanik menjadi listrik). Efek piezo-electric ini menghasilkan getaran mekanis atau osilasi yang dapat digunakan untuk mengganti rangkaian tangki LC standar pada osilator sebelumnya.

Ada banyak jenis zat kristal yang dapat digunakan sebagai osilator dengan sirkuit yang paling penting untuk sirkuit elektronik menjadi mineral kuarsa, karena kekuatan mekanisnya lebih besar.

Kristal kuarsa yang digunakan dalam Quartz Crystal Oscillator adalah potongan tipis atau wafer kuarsa yang sangat kecil dengan dua permukaan sejajar yang dibuat untuk membuat sambungan listrik yang dibutuhkan. Ukuran fisik dan ketebalan sepotong kristal kuarsa dikontrol ketat karena mempengaruhi frekuensi osilasi akhir atau fundamental. Frekuensi dasar umumnya disebut kristal “frekuensi karakteristik”.

Setelah dipotong dan dibentuk, kristal tidak bisa digunakan pada frekuensi lainnya. Dengan kata lain, ukuran dan bentuknya menentukan frekuensi osilasi dasarnya.

Karakteristik kristal atau frekuensi karakteristik berbanding terbalik dengan ketebalan fisik antara dua permukaan metallised. Kristal bergetar secara mekanis dapat ditunjukkan oleh rangkaian listrik ekuivalen yang terdiri dari resistansi rendah R, sebuah induktansi L besar dan kapasitansi C kecil seperti ditunjukkan di bawah ini.

Model Quartz Crystal Equivalent

Sirkuit elektrik yang setara untuk kristal kuarsa menunjukkan rangkaian RLC seri, yang mewakili getaran mekanik kristal, sejajar dengan kapasitansi, Cp yang mewakili sambungan listrik ke kristal. Osilator kristal kuarsa cenderung beroperasi terhadap “resonansi seri” mereka.

Impedansi ekuivalen kristal memiliki resonansi seri dimana Cs bergema dengan induktansi, Ls pada frekuensi operasi kristal. Frekuensi ini disebut deret deret kristal, ƒs. Serta frekuensi seri ini, ada titik frekuensi kedua yang ditetapkan sebagai hasil resonansi paralel yang dibuat saat Ls dan Cs bergema dengan kapasitor paralel Cp seperti yang ditunjukkan.

Impedansi kristal terhadap Frekuensi

Kemiringan impedansi kristal di atas menunjukkan bahwa seiring dengan meningkatnya frekuensi di seluruh terminalnya. Pada frekuensi tertentu, interaksi antara kapasitor seri Cs dan induktor Ls menciptakan rangkaian resonansi seri yang mengurangi impedansi kristal hingga minimum dan sama dengan Rs. Titik frekuensi ini disebut frekuensi resonansi seri kristal ƒs dan di bawah ƒs kristalnya bersifat kapasitif.

Seiring meningkatnya frekuensi di atas titik resonansi seri ini, kristal berperilaku seperti induktor sampai frekuensi mencapai frekuensi resonansi paralelnya ƒp. Pada titik frekuensi ini, interaksi antara induktor seri, kapasitor Ls dan paralel, Cp menciptakan rangkaian tangki LC yang disetel paralel dan karena impedansi di kristal mencapai nilai maksimumnya.

Kemudian kita dapat melihat bahwa kristal kuarsa adalah gabungan rangkaian dan rangkaian resonansi yang disetel secara paralel, berosilasi pada dua frekuensi yang berbeda dengan perbedaan yang sangat kecil antara keduanya tergantung pada potongan kristal. Juga, karena kristal dapat beroperasi pada frekuensi resonansi seri atau paralel, rangkaian osilator kristal perlu disetel ke satu atau frekuensi lainnya karena Anda tidak dapat menggunakan keduanya.

Jadi tergantung pada karakteristik rangkaian, kristal kuarsa dapat berfungsi sebagai kapasitor, induktor, rangkaian resonansi seri atau sebagai rangkaian resonansi paralel dan untuk menunjukkan ini lebih jelas, kita juga dapat merencanakan

Jadi tergantung pada karakteristik rangkaian, kristal kuarsa dapat berfungsi sebagai kapasitor, induktor, sirkuit resonansi seri atau sebagai sirkuit resonansi paralel dan untuk mendemonstrasikannya dengan lebih jelas, kita juga dapat merencanakan reaktansi kristal terhadap frekuensi seperti yang ditunjukkan.

Reaktansi Kristal terhadap Frekuensi

Kemiringan reaktansi terhadap frekuensi di atas, menunjukkan bahwa reaktansi seri pada frekuensi ƒ berbanding terbalik dengan C karena di bawah ƒs dan di atas ƒp kristal tampak kapasitif. Antara frekuensi ƒs dan ƒp, kristal tampak induktif saat dua kapasitansi paralel dibatalkan.

Kemudian rumus untuk frekuensi resonansi seri kristal, ƒs diberikan sebagai:

Seri Resonan Frekuensi

Frekuensi resonansi paralel, ƒp terjadi ketika reaktansi dari seri LC leg sama dengan reaktansi kapasitor paralel, Cp dan diberikan sebagai:

Frekuensi Resonant Paralel

Contoh Osilator Quart Quart No1

Kristal kuarsa memiliki nilai berikut: Rs = 6,4Ω, Cs = 0,09972pF dan Ls = 2,546mH. Jika kapasitansi melintasi terminalnya, Cp diukur pada 28.68pF, Hitung frekuensi osilasi fundamental dari kristal dan frekuensi resonansi sekundernya.

Frekuensi resonansi seri kristal, ƒS

Frekuensi resonansi paralel kristal, ƒP

Kita dapat melihat bahwa perbedaan antara ƒs, frekuensi fundamental kristal dan ƒp kecil sekitar 18 kHz (10.005MHz – 9.987MHz). Namun selama rentang frekuensi ini, faktor Q (Faktor Mutu) kristal sangat tinggi karena induktansi kristal jauh lebih tinggi daripada nilai kapasitif atau resistifnya. Faktor Q dari kristal kita pada frekuensi resonansi seri diberikan sebagai:

Osilator Crystal Q-faktor

Kemudian faktor Q dari contoh kristal kita, sekitar 25.000, adalah karena rasio XL / R tinggi ini. Faktor Q dari kebanyakan kristal berada di area 20.000 sampai 200.000 dibandingkan dengan rangkaian tangki disetel LC yang bagus yang kita lihat sebelumnya yang jumlahnya akan jauh lebih kecil dari 1.000. Nilai Q-faktor tinggi ini juga berkontribusi pada stabilitas frekuensi kristal yang lebih besar pada frekuensi operasinya sehingga ideal untuk membangun rangkaian osilator kristal.

Jadi kita telah melihat bahwa kristal kuarsa memiliki frekuensi resonansi yang serupa dengan rangkaian tangki LC yang disetel secara elektrik namun dengan faktor Q yang jauh lebih tinggi. Hal ini terutama disebabkan oleh resistansi seri rendahnya, Rs. Akibatnya, kristal kuarsa membuat pilihan komponen yang sangat baik untuk digunakan dalam osilator terutama osilator frekuensi sangat tinggi.

Osilator kristal khas dapat berkisar pada frekuensi osilasi dari sekitar 40 kHz sampai lebih dari 100MHz, bergantung pada konfigurasi rangkaian dan perangkat penguat yang digunakan. Potongan kristal juga menentukan bagaimana hal itu akan berperilaku seperti beberapa kristal akan bergetar pada lebih dari satu frekuensi, menghasilkan osilasi tambahan yang disebut nada.

Juga, jika kristal tidak memiliki ketebalan sejajar atau seragam, mungkin ada dua atau lebih frekuensi resonansi baik dengan frekuensi dasar yang menghasilkan apa yang disebut dan harmonisa, seperti harmonisa kedua atau ketiga.

Umumnya meskipun frekuensi osilasi dasar untuk kristal kuarsa jauh lebih kuat atau lebih menonjol daripada harmonisa sekunder dan disekitarnya, jadi ini adalah yang digunakan. Kita telah melihat pada grafik di atas bahwa rangkaian ekuivalen kristal memiliki tiga komponen reaktif, dua kapasitor ditambah sebuah induktor sehingga ada dua frekuensi resonansi, yang terendah adalah frekuensi resonansi seri dan yang tertinggi adalah frekuensi resonansi paralel.

Kita telah melihat di tutorial sebelumnya, bahwa rangkaian penguat akan terombang-ambing jika memiliki gain loop lebih besar atau sama dengan satu dan umpan baliknya positif. Dalam rangkaian Quartz Crystal Oscillator, osilator akan berosilasi pada frekuensi resonansi paralel paralel kristal karena kristal selalu ingin terombang-ambing saat sumber tegangan diaplikasikan padanya.

Namun, juga memungkinkan untuk “menyetel” osilator kristal ke frekuensi harmonik apa pun, (2, 4, 8 dll) dan ini dikenal umumnya sebagai Osilator Harmonic sementara Osilator Overtone bergetar pada kelipatan aneh dari frekuensi dasar. , 3, 5, 11 dll). Umumnya, osilator kristal yang beroperasi pada frekuensi nada melakukannya dengan menggunakan frekuensi resonansi seri mereka.

Colpitts Quartz Crystal Oscillator

Sirkuit osilator kristal umumnya dibangun menggunakan transistor bipolar atau FET. Hal ini karena walaupun amplifier operasional dapat digunakan di sirkuit osilator frekuensi rendah (≤ 100 kHz) yang berbeda, amplifier operasional tidak memiliki bandwidth untuk beroperasi dengan sukses pada frekuensi yang lebih tinggi yang sesuai dengan kristal di atas 1MHz.

Desain Crystal Oscillator sangat mirip dengan desain Colpitts Oscillator yang kami lihat di tutorial sebelumnya, kecuali rangkaian tangki LC yang menyediakan osilasi umpan balik telah diganti dengan kristal kuarsa seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Colpitts Crystal Oscillator

Jenis Crystal Oscillators ini dirancang di sekitar amplifier pengumpul (emitter-follower) umum. Jaringan resistor R1 dan R2 menetapkan tingkat bias DC pada Base sementara resistor emitor RE menetapkan tingkat tegangan output. Resistor R2 diatur seluas mungkin untuk mencegah pemuatan ke kristal terhubung paralel.

Transistor, transistor 2N4265 adalah tujuan umum transistor NPN terhubung dalam konfigurasi kolektor yang umum dan mampu beroperasi pada kecepatan perpindahan yang melebihi 100Mhz, jauh di atas frekuensi dasar kristal yang dapat berkisar antara 1MHz dan 5MHz.

Diagram rangkaian di atas rangkaian Colpitts Crystal Oscillator menunjukkan bahwa kapasitor, C1 dan C2 melepaskan output dari transistor yang mengurangi sinyal umpan balik. Oleh karena itu, gain transistor membatasi nilai maksimum C1 dan C2. Amplitudo output harus dijaga tetap rendah agar tidak terjadi disipasi daya yang berlebihan dalam kristal sehingga bisa menghancurkan dirinya sendiri dengan getaran yang berlebihan.

Pierce Oscillator

Desain lain yang umum dari osilator kristal kuarsa adalah osilator Pierce. Osilator Pierce sangat mirip dengan desain pada osilator Colpitts sebelumnya dan sangat sesuai untuk menerapkan rangkaian osilator kristal menggunakan kristal sebagai bagian dari rangkaian umpan baliknya.

Osilator Pierce adalah rangkaian rangkaian resonansi seri (tidak seperti rangkaian resonansi paralel dari osilator Colpitts) yang menggunakan JFET untuk perangkat penguat utamanya karena FET memberikan impedansi masukan yang sangat tinggi dengan kristal yang terhubung antara Tiriskan dan Gerbang melalui kapasitor C1 sebagai ditunjukkan di bawah ini

Pierce Crystal Oscillator

Kristal berosilasi pada frekuensi resonansi seri. Inverter CMOS awalnya bias ke tengah wilayah operasinya oleh resistor umpan balik, R1. Ini memastikan bahwa Q-point inverter berada di daerah dengan gain tinggi. Di sini resistor nilai 1M resistor digunakan, namun nilainya tidak kritis asalkan lebih dari 1MΩ. Inverter tambahan digunakan untuk menyangga output dari osilator ke beban yang terhubung.

Inverter menyediakan pergeseran fasa 180o dan jaringan kapasitor kristal 180o tambahan yang dibutuhkan untuk osilasi. Keuntungan dari osilator kristal CMOS adalah bahwa ia akan selalu menyesuaikan diri dengan sendirinya untuk mempertahankan pergeseran fase 360o ini untuk osilasi.

Berbeda dengan osilator kristal berbasis transistor sebelumnya yang menghasilkan bentuk gelombang keluaran sinusoidal, karena osilator Inverter CMOS menggunakan gerbang logika digital, outputnya adalah gelombang persegi yang berosilasi antara TINGGI dan RENDAH. Tentu, frekuensi operasi maksimum tergantung pada karakteristik switching gerbang logika yang digunakan.

Jam Quartz Mikroprosesor Kristal

Kita tidak bisa menyelesaikan tutorial Crystal Oscillator Kuarsa tanpa menyebutkan sesuatu tentang jam kristal Mikroprosesor. Hampir semua mikroprosesor, mikro kontroler, PICs dan CPU umumnya beroperasi menggunakan Quartz Crystal Oscillator sebagai alat penentuan frekuensi untuk menghasilkan bentuk gelombang jam mereka karena seperti yang telah kita ketahui, osilator kristal memberikan keakuratan dan stabilitas frekuensi tertinggi dibandingkan resistor-kapasitor, RC) atau induktor-kapasitor, (LC) osilator.

Jam CPU menentukan seberapa cepat prosesor dapat menjalankan dan memproses data dengan mikroprosesor, PIC atau mikro kontroler yang memiliki kecepatan clock 1MHz yang berarti dapat memproses data secara internal satu juta kali per detik pada setiap siklus clock. Umumnya semua yang dibutuhkan untuk menghasilkan bentuk gelombang mikroprosesor adalah kristal dan dua kapasitor keramik dengan nilai berkisar antara 15 sampai 33pF seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Osilator mikroprosesor

Kebanyakan mikroprosesor, mikro kontroler dan PIC memiliki dua pin osilator berlabel OSC1 dan OSC2 untuk terhubung ke sirkuit kristal kuarsa eksternal, jaringan osilator RC standar atau bahkan resonator keramik. Dalam aplikasi mikroprosesor jenis ini, Quartz Crystal Oscillator menghasilkan sebuah kereta pulsa gelombang persegi kontinyu yang frekuensi dasarnya dikendalikan oleh kristal itu sendiri. Frekuensi dasar ini mengatur aliran instruksi yang mengendalikan perangkat prosesor. Misalnya jam master dan timing sistem.

Contoh Osilator Quart Quartil No2

Kristal kuarsa memiliki nilai berikut setelah dipotong, Rs = 1kΩ, Cs = 0,05pF, Ls = 3H dan Cp = 10pF. Hitunglah rangkaian kristal dan frekuensi osilasi paralel.

Frekuensi osilasi seri diberikan sebagai:

Frekuensi osilasi paralel diberikan sebagai:

Maka frekuensi osilasi untuk kristal akan berkisar antara 411kHz dan 412 kHz.

Check Also

Transformator Tenaga Listrik | Definisi dan Jenis Transformator

kelas-fisika.com – Transformator Tenaga Listrik | Definisi dan Jenis Transformator Definisi Transformator Transformator atau Trafo …

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *

Powered by themekiller.com