Кварцевые генераторы

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой генераторов сигналов, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

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

Кварцевые генераторы преодолевают некоторые факторы, которые влияют на стабильность частоты генератора. К ним обычно относятся: 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 резонансной цепи обратной связи, включая усилитель. Но существует предел стабильности, которую можно получить от обычных LC- и RC-контуров

Кварцевый генератор

Для получения очень высокого уровня стабильности генератора кварцевый кристалл обычно используется в качестве устройства определения частоты для создания других типов схем генератора, известных как кварцевый генератор (XO).

Когда источник напряжения подается на небольшой тонкий кусочек кварцевого кристалла, он начинает менять форму, создавая характеристику, известную как пьезоэлектрический эффект. Этот пьезоэлектрический эффект является свойством кристалла, посредством которого 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 стандартного контура LC в предыдущих генераторах.

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

Кристалл кварца, используемый в кварцевом генераторе, представляет собой очень маленький, тонкий кусок или пластину из срезанного кварца с двумя параллельными поверхностями, металлизированными для создания необходимых электрических соединений. Физический размер и толщина куска кварцевого кристалла строго контролируются, поскольку они влияют на конечную или основную частоту колебаний.

Основная частота обычно называется «характеристической частотой» кристалла.

После разрезания и формования кристалл не может использоваться ни на какой другой частоте. Другими словами, его размер и форма определяют его основную частоту колебаний. Характеристика кристалла или характерная частота обратно пропорциональны его физической толщине между двумя металлизированными поверхностями. Механически вибрирующий 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 для кварцевого кристалла показывает последовательную цепь RLC, которая представляет механические колебания кристалла, параллельно с емкостью Cp, которая представляет электрические соединения с кристаллом. Кварцевые генераторы, как правило, работают в направлении своего «последовательного резонанса». Эквивалентное сопротивление кристалла имеет последовательный резонанс, где Cs резонирует с индуктивностью Ls на рабочей частоте кристалла. Эта частота называется последовательной частотой кристалла, ƒs. Наряду с этой последовательной частотой существует вторая точка частоты, установленная в результате параллельного резонанса, созданного, когда Ls и Cs резонируют с параллельным конденсатором Cp, как показано.

Сопротивление кристалла в зависимости от частоты

Наклон импеданса кристалла выше показывает, что с увеличением частоты на его клеммах. На определенной частоте взаимодействие между последовательным конденсатором Cs и индуктором Ls создает последовательный резонансный контур, снижающий импеданс кристалла до минимума и равного Rs. Эта частотная точка называется последовательной резонансной частотой кристалла ƒs, а ниже ƒs кристалл является емкостным.

По мере увеличения частоты выше этой точки последовательного резонанса кристалл ведет себя как индуктор, пока частота не достигнет своей параллельной резонансной частоты ƒp. В этой частотной точке взаимодействие между последовательным индуктором Ls и параллельным конденсатором Cp создает параллельно настроенный LC-контур, и, таким образом, импеданс на кристалле достигает своего максимального значения.

Тогда мы можем видеть, что кварцевый кристалл представляет собой комбинацию последовательно и параллельно настроенных резонансных контуров, колеблющихся на двух разных частотах с очень небольшой разницей между ними в зависимости от среза кристалла. Кроме того, поскольку кристалл может работать как на своих последовательных, так и на параллельных резонансных частотах, схема кварцевого генератора должна быть настроена на одну или другую частоту, поскольку вы не можете использовать обе частоты вместе.

Таким образом, в зависимости от характеристик схемы кварцевый кристалл может действовать как конденсатор, индуктор, последовательный резонансный контур или параллельный резонансный контур, и 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 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 компенсируют друг друга. Тогда формула для частоты последовательного резонанса кристалла, ƒs, задается как:

Последовательная резонансная частота

Частота параллельного резонанса ƒp возникает, когда реактивное сопротивление последовательной LC-цепи 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 на уровне 28,68 пФ, вычислите основную частоту колебаний кристалла и его вторичную резонансную частоту.

Резонансная частота ряда кристаллов, ƒS

Параллельная резонансная частота кристалла, ƒP

Мы видим, что разница между ƒs, основной частотой кристалла, и ƒp невелика на частоте около 18 кГц (10,005 МГц – 9,987 МГц). Однако в этом диапазоне частот Q-фактор (добротность) кристалла чрезвычайно высок, поскольку индуктивность кристалла намного выше его емкостных или резистивных значений. Q-фактор нашего кристалла на частоте последовательного резонанса определяется как:

Коэффициент добротности кварцевых генераторов

Тогда добротность нашего примера кристалла, около 25 000, обусловлена этим высоким отношением XL/R. Добротность большинства кристаллов находится в диапазоне от 20 000 до 200 000 по сравнению с хорошим LC-настроенным контуром, который мы рассматривали ранее, который будет намного меньше 1 000. Это высокое значение добротности также способствует большей стабильности частоты кристалла на его рабочей частоте, что делает его идеальным для построения схем кварцевых генераторов.

Итак, мы увидели, что кварцевый кристалл имеет резонансную частоту, похожую на частоту электрически настроенного LC-контура, но с гораздо более высоким добротностью. Это в основном связано с его низким последовательным сопротивлением, Rs. В результате кварцевые кристаллы являются отличным выбором компонентов для использования в генераторах, особенно в генераторах очень высокой частоты.

Обычные кварцевые генераторы могут иметь диапазон частот колебаний от примерно 40 кГц до значительно более 100 МГц в зависимости от конфигурации их схемы и используемого усилительного устройства. Срез кристалла также определяет, как он будет себя вести, поскольку некоторые кристаллы будут вибрировать на более чем одной частоте, создавая дополнительные колебания, называемые обертонами.

Кроме того, если кристалл не имеет параллельной или однородной толщины, он может иметь две или более резонансных частот, обе с основной частотой, производящей то, что называется и гармониками, такими как вторая или третья гармоники.

Обычно основная частота колебаний для кварцевого кристалла намного сильнее или выраженнее, чем частота и вторичные гармоники вокруг него, поэтому она будет использоваться. Мы видели на графиках выше, что эквивалентная схема кристалла имеет три реактивных компонента, два конденсатора плюс индуктор, поэтому есть две резонансные частоты, самая низкая — это последовательная резонансная частота, а самая высокая — параллельная резонансная частота.

Мы видели в предыдущих уроках, что схема усилителя будет колебаться, если ее петлевой коэффициент усиления больше или равен единице, а обратная связь положительная. В схеме кварцевого генератора генератор будет колебаться на основной параллельной резонансной частоте кристалла, поскольку кристалл всегда хочет колебаться, когда к нему приложен 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 известны как гармонические генераторы, в то время как обертонные генераторы вибрируют на нечетных кратных основной частоте (3-й, 5-й, 11-й и т. д.). Как правило, кварцевые генераторы, работающие на обертонных частотах, делают это, используя свою последовательную резонансную частоту.

Кварцевый генератор Колпитца

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 схемах низкочастотных (≤100 кГц) генераторов, операционные усилители просто не имеют полосы пропускания для успешной работы на более высоких частотах, подходящих для кристаллов выше 1 МГц.

Конструкция кварцевого генератора очень похожа на конструкцию генератора Колпитца, которую мы рассматривали в предыдущем уроке, за исключением того, что контур LC, который обеспечивает колебания обратной связи, был заменен кварцевым кристаллом, как показано ниже.

Кристаллический генератор Колпитца

Этот тип кварцевых генераторов разработан вокруг усилителя с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Резисторная сеть R1 и R2 устанавливает уровень смещения постоянного тока на базе, в то время как эмиттерный резистор RE устанавливает уровень выходного напряжения. Резистор R2 устанавливается как можно большим, чтобы предотвратить нагрузку на параллельно подключенный кристалл.

Транзистор 2N4265 представляет собой универсальный NPN-транзистор, подключенный в конфигурации с общим коллектором, и способен работать на скоростях переключения свыше 100 МГц, что значительно выше основной частоты кристалла, которая может быть между 1 МГц и 5 МГц.

Приведенная выше схема кварцевого генератора Колпитца показывает, что конденсаторы C1 и C2 шунтируют выход транзистора, что снижает сигнал обратной связи. Поэтому коэффициент усиления транзистора ограничивает максимальные значения C1 и C2. Выходная амплитуда должна быть низкой, чтобы избежать чрезмерного рассеивания мощности в кристалле, в противном случае он может разрушиться из-за чрезмерной вибрации.

Осциллятор Пирса

Другой распространенной конструкцией кварцевого генератора является генератор Пирса. Генератор Пирса очень похож по конструкции на предыдущий генератор Колпитца и хорошо подходит для реализации схем кварцевого генератора с использованием кристалла как части его цепи обратной связи. Генератор Пирса в первую очередь представляет собой последовательную резонансную настроенную схему (в отличие от параллельной резонансной схемы генератора Колпитца), которая использует JFET в качестве своего основного усилительного устройства, поскольку FET обеспечивают очень высокие входные импедансы с кристаллом, подключенным между стоком и затвором через конденсатор C1, как показано ниже.

Кристаллический генератор Пирса

В этой простой схеме кристалл определяет частоту колебаний и работает на своей последовательной резонансной частоте, ƒs, обеспечивая низкоомный путь между выходом и входом. При резонансе происходит сдвиг фазы на 180o, что делает обратную связь положительной. Амплитуда выходной синусоиды ограничена максимальным диапазоном напряжения на выводе стока.

Резистор R1 управляет величиной обратной связи и возбуждением кристалла, в то время как напряжение на радиочастотном дросселе RFC меняется на противоположное в течение каждого цикла. Большинство цифровых часов, наручных часов и таймеров используют генератор Пирса в той или иной форме, поскольку его можно реализовать с использованием минимума компонентов.

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

КМОП-кристаллический генератор

Кристалл колеблется на своей последовательной резонансной частоте. КМОП-инвертор изначально смещен в середину своей рабочей области резистором обратной связи R1. Это гарантирует, что точка Q инвертора находится в области высокого усиления. Здесь используется резистор номиналом 1 МОм, но его значение не критично, если оно больше 1 МОм. Дополнительный инвертор используется для буферизации выхода генератора на подключенную нагрузку.

Инвертор обеспечивает 180o фазового сдвига, а цепь конденсаторов кристалла — дополнительные 180o, необходимые для генерации. Преимущество КМОП-кристаллического генератора заключается в том, что он всегда автоматически перестраивается для поддержания этого 360o фазового сдвига для генерации.

В отличие от предыдущих транзисторных кварцевых генераторов, которые выдавали синусоидальную форму выходного сигнала, поскольку генератор КМОП-инвертора использует цифровые логические вентили, выход представляет собой прямоугольную волну, колеблющуюся между HIGH и LOW. Естественно, максимальная рабочая частота зависит от коммутационных характеристик используемого логического вентиля.

Микропроцессорные кварцевые часы

Мы не можем закончить учебник по кварцевым генераторам, не упомянув что-нибудь о кварцевых часах микропроцессора. Практически все микропроцессоры, микроконтроллеры, PIC и CPU обычно работают с использованием кварцевого генератора в качестве устройства определения частоты для генерации своего тактового сигнала, поскольку, как мы уже знаем, кварцевые генераторы обеспечивают самую высокую точность и стабильность частоты по сравнению с резисторно-конденсаторными (RC) или индуктивно-конденсаторными (LC) генераторами.

Тактовая частота ЦП определяет, насколько быстро процессор может работать и обрабатывать данные с микропроцессором, PIC или микроконтроллером, имеющим тактовую частоту 1 МГц, что означает, что он может обрабатывать данные внутри один миллион раз в секунду за каждый тактовый цикл. Обычно все, что нужно для создания тактового сигнала микропроцессора, — это кристалл и два керамических конденсатора номиналом от 15 до 33 пФ, как показано ниже.

Микропроцессорный генератор

Большинство микропроцессоров, микроконтроллеров и PIC имеют два вывода генератора, обозначенных OSC1 и OSC2, для подключения к внешней схеме кварцевого кристалла, стандартной сети RC-генератора или даже керамическому резонатору. В этом типе применения микропроцессора кварцевый кристаллический генератор вырабатывает последовательность непрерывных прямоугольных импульсов, основная частота которых контролируется самим кристаллом. Эта основная частота регулирует поток инструкций, которые управляют устройством процессора. Например, главные часы и системная синхронизация.

Пример кварцевого генератора №2

Кристалл кварца имеет следующие значения после разрезания: Rs = 1 кОм, Cs = 0,05 пФ, Ls = 3 Гн и Cp = 10 пФ. Рассчитайте последовательные и параллельные колебательные частоты кристаллов.

Последовательная колебательная частота определяется как: