Кварцові генератори

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з номенклатурою генераторів сигналів, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї Розділу

Однією з найважливіших характеристик будь-якого генератора є його стабільність частоти, або, іншими словами, його здатність забезпечувати постійну вихідну частоту за умов навантаження, що змінюються.

Кварцові генератори долають деякі чинники, які впливають стабільність частоти генератора. До них зазвичай відносяться: зміни температури, зміни навантаження, а також зміни напруги живлення постійного струму, і це лише деякі з них.

Стабільність частоти вихідного сигналу може бути значно покращена за рахунок правильного вибору компонентів, що використовуються для резонансного ланцюга зворотного зв'язку, включаючи підсилювач. Але існує межа стабільності, яку можна отримати від звичайних LC- та RC-контурів

Кварцовий генератор

Для отримання дуже високого рівня стабільності генератора кварцовий кристал зазвичай використовується як пристрій визначення частоти створення інших типів схем генератора, відомих як кварцовий генератор (XO).

Коли джерело напруги подається на невеликий тонкий шматочок кварцового кристала, він починає змінювати форму, створюючи характеристику, відому як п'єзоелектричний ефект. Цей п'єзоелектричний ефект є властивістю кристала, з якого електричний заряд створює механічну силу, змінюючи форму кристала, і навпаки, механічна сила, прикладена до кристала, створює електричний заряд.

Тоді п'єзоелектричні пристрої можна класифікувати як перетворювачі, оскільки вони перетворюють енергію одного виду на енергію іншого (електричну на механічну або механічну на електричну). Цей п'єзоелектричний ефект створює механічні вібрації або коливання, які можна використовувати для заміни стандартного контуру LC у попередніх генераторах.

Існує безліч різних типів кристалічних речовин, які можна використовувати як осцилятори, причому найбільш важливими з них для електронних схем є кварцові мінерали, частково через їх більшу механічну міцність.

Кристал кварцу, що використовується в кварцовому генераторі, є дуже маленьким, тонким шматком або пластиною зі зрізаного кварцу з двома паралельними поверхнями, металізованими для створення необхідних електричних з'єднань. Фізичний розмір та товщина шматка кварцового кристала суворо контролюються, оскільки вони впливають на кінцеву чи основну частоту коливань.

Основна частота зазвичай називається "характеристичною частотою" кристала.

Після розрізання та формування кристал не може використовуватися на жодній іншій частоті. Іншими словами, його розмір та форма визначають його основну частоту коливань. Характеристика кристала або характерна частота обернено пропорційні його фізичній товщині між двома металізованими поверхнями. Механічно вібруючий кристал можна подати еквівалентним електричним ланцюгом, що складається з низького опору R, великої індуктивності L і малої ємності C, як показано нижче.

Еквівалентна модель кристала кварцу

Еквівалентна електрична схема для кварцового кристала показує послідовний ланцюг RLC, який представляє механічні коливання кристала, паралельно з ємністю Cp, яка представляє електричні з'єднання з кристалом. Кварцові генератори, зазвичай, працюють у напрямі свого «послідовного резонансу». Еквівалентний опір кристала має послідовний резонанс, де Cs резонує з індуктивністю Ls робочої частоті кристала. Ця частота називається послідовною частотою кристала, s. Поряд з цією послідовною частотою існує друга точка частоти, встановлена ​​в результаті паралельного резонансу, створеного коли Ls і Cs резонують з паралельним конденсатором Cp, як показано.

Опір кристала в залежності від частоти

Нахил імпедансу кристала вище показує, що зі збільшенням частоти на його клемах. На певній частоті взаємодія між послідовним конденсатором Cs та індуктором Ls створює послідовний резонансний контур, що знижує імпеданс кристала до мінімуму і Rs. Ця частотна точка називається послідовною резонансною частотою кристала ?s, а нижче ?s кристал є ємнісним.

У міру збільшення частоти вище цієї точки послідовного резонансу кристал поводиться як індуктор, поки частота не досягне своєї паралельної резонансної частоти p. У цій частотній точці взаємодія між послідовним індуктором Ls і паралельним конденсатором Cp створює паралельно налаштований LC-контур і таким чином імпеданс на кристалі досягає свого максимального значення.

Тоді ми можемо бачити, що кварцовий кристал є комбінацією послідовно і паралельно налаштованих резонансних контурів, що коливаються на двох різних частотах з дуже невеликою різницею між ними в залежності від зрізу кристала. Крім того, оскільки кристал може працювати як на своїх послідовних, так і паралельних резонансних частотах, схема кварцового генератора повинна бути налаштована на одну або іншу частоту, оскільки ви не можете використовувати обидві частоти разом.

Таким чином, залежно від характеристик схеми, кварцовий кристал може діяти як конденсатор, індуктор, послідовний резонансний контур або паралельний резонансний контур, і щоб продемонструвати це більш наочно, ми також можемо побудувати графік залежності реактивного опору кристала від частоти, як показано.

Реактивний опір кристала в залежності від частоти

Нахил реактивного опору в залежності від частоти вище показує, що послідовний реактивний опір на частоті fs назад пропорційно Cs, оскільки нижче fs і вище cp кристал здається ємнісним. Між частотами S і P кристал здається індуктивним, оскільки дві паралельні ємності компенсують один одного. Тоді формула для частоти послідовного резонансу кристала ƒs задається як:

Послідовна резонансна частота

Частота паралельного резонансу ƒp виникає, коли реактивний опір послідовного LC-ланцюга дорівнює реактивному опору паралельного конденсатора Cp і визначається як:

Паралельна резонансна частота

Приклад кварцового генератора №1

Кристал кварцу має такі значення: Rs = 6,4 Ом, Cs = 0,09972 пФ та Ls = 2,546 мГн. Якщо ємність на його виведенні, Cp, виміряна на рівні 28,68 пФ, обчисліть основну частоту коливань кристала та його вторинну резонансну частоту.

Резонансна частота ряду кристалів, ƒS

Параллельная резонансная частота кристалла, ƒP

Ми, що різниця між ƒs, основний частотою кристала, і ƒp невелика на частоті близько 18 кГц (10,005 МГц – 9,987 МГц). Однак у цьому діапазоні частот Q-фактор (добротність) кристала надзвичайно високий, оскільки індуктивність кристала набагато вище його ємнісних або резистивних значень. Q-фактор нашого кристала на частоті послідовного резонансу визначається як:

Коефіцієнт добротності кварцових генераторів

Тоді добротність нашого прикладу кристала, близько 25 000, зумовлена ​​цим високим ставленням XL/R. Добротність більшості кристалів знаходиться в діапазоні від 20 000 до 200 000 у порівнянні з хорошим LC-настроєним контуром, який ми розглядали раніше, який буде набагато меншим за 1 000. Це високе значення добротності також сприяє більшій стабільності частоти кристала на його робочій частоті, що робить його ідеальний для побудови схем кварцових генераторів.

Отже, ми побачили, що кварцовий кристал має резонансну частоту, схожу на частоту електрично налаштованого LC-контуру, але з більш високою добротністю. Це здебільшого пов'язано з його низьким послідовним опором, Rs. В результаті кварцові кристали є відмінним вибором компонентів для використання у генераторах, особливо у генераторах дуже високої частоти.

Звичайні кварцові генератори можуть мати діапазон частот коливань приблизно від 40 кГц до значно більше 100 МГц залежно від конфігурації їх схеми і підсилювального пристрою. Зріз кристала також визначає, як він поводитиметься, оскільки деякі кристали будуть вібрувати на більш ніж одній частоті, створюючи додаткові коливання, звані обертонами.

Крім того, якщо кристал не має паралельної або однорідної товщини, він може мати дві або більше резонансних частот, обидві з основною частотою, що виробляє те, що називається гармоніками, такими як друга або третя гармоніки.

Зазвичай основна частота коливань для кварцового кристала набагато сильніша або вираженіша, ніж частота і вторинні гармоніки навколо нього, тому вона використовуватиметься. Ми бачили на графіках вище, що еквівалентна схема кристала має три реактивні компоненти, два конденсатори плюс індуктор, тому є дві резонансні частоти, найнижча — це послідовна резонансна частота, а найвища — паралельна резонансна частота.

Ми бачили в попередніх уроках, що схема підсилювача коливатиметься, якщо її петльовий коефіцієнт посилення більший або дорівнює одиниці, а зворотний зв'язок позитивний. У схемі кварцового генератора генератор коливатиметься на основній паралельній резонансній частоті кристала, оскільки кристал завжди хоче коливатися, коли до нього прикладено джерело напруги. Однак також можливо «налаштувати» кварцовий генератор на будь-яку парну гармоніку основної частоти (2-ю, 4-ю, 8-ю і т. д.), і вони відомі як гармонічні генератори, тоді як обертонні генератори вібрують на непарних кратних основну частоту (3-й, 5-й, 11-й і т. д.). Як правило, кварцові генератори, що працюють на обертонних частотах, роблять це, використовуючи свою резонансну послідовну частоту.

Кварцовий генератор Колпітца

Схеми кварцових генераторів зазвичай будуються з допомогою біполярних транзисторів чи польових транзисторів. Це пов'язано з тим, що, хоча операційні підсилювачі можуть використовуватися в різних схемах низькочастотних (≤100 кГц) генераторів, операційні підсилювачі просто не мають смуги пропускання для успішної роботи на більш високих частотах, придатних для кристалів вище 1 МГц.

Конструкція кварцового генератора дуже схожа на конструкцію генератора Колпітца, яку ми розглядали в попередньому уроці, за винятком того, що контур LC, який забезпечує коливання зворотного зв'язку, був замінений кварцовим кристалом, як показано нижче.

Кристалічний генератор Колпітца

Цей тип кварцових генераторів розроблений навколо підсилювача із загальним колектором (емітерний повторювач). Резисторна мережа R1 і R2 встановлює рівень зміщення постійного струму на базі, тоді як емітерний резистор RE встановлює рівень вихідної напруги. Резистор R2 встановлюється якомога більшим, щоб запобігти навантаженню на паралельно підключений кристал.

Транзистор 2N4265 є універсальним NPN-транзистором, підключеним у конфігурації із загальним колектором, і здатний працювати на швидкостях перемикання понад 100 МГц, що значно вище основної частоти кристала, яка може бути між 1 МГц і 5 МГц.

Наведена вище схема кварцового генератора Колпітца показує, що конденсатори C1 і C2 шунтують вихід транзистора, що знижує сигнал зворотного зв'язку. Тому коефіцієнт посилення транзистора обмежує максимальні значення C1 та C2. Вихідна амплітуда має бути низькою, щоб уникнути надмірного розсіювання потужності в кристалі, інакше він може зруйнуватися через надмірну вібрацію.

Осцилятор Пірса

Іншою поширеною конструкцією кварцового генератора є генератор Пірса. Генератор Пірса дуже схожий за конструкцією на попередній генератор Колпітца і добре підходить для реалізації схем кварцового генератора з використанням кристала як частини ланцюга зворотного зв'язку. Генератор Пірса в першу чергу є послідовною резонансною налаштованою схемою (на відміну від паралельної резонансної схеми генератора Колпітца), яка використовує JFET в якості свого основного підсилювального пристрою, оскільки FET забезпечують дуже високі вхідні імпеданси з кристалом, підключеним між стоком і затвором , як показано нижче.

Кристалічний генератор Пірсу

У цій простій схемі кристал визначає частоту коливань і працює на своїй послідовній резонансній частоті, s, забезпечуючи низькоомний шлях між виходом і входом. При резонансі відбувається зсув фази на 180o, що робить зворотний зв'язок позитивним. Амплітуда вихідний синусоїди обмежена максимальним діапазоном напруги на виведенні стоку.

Резистор R1 управляє величиною зворотного зв'язку і збудженням кристала, тоді як напруга на радіочастотному дроселі RFC змінюється протилежне протягом кожного циклу. Більшість цифрових годинників, наручних годинників та таймерів використовують генератор Пірса в тій чи іншій формі, оскільки його можна реалізувати з використанням мінімуму компонентів.

Крім використання транзисторів та польових транзисторів, ми також можемо створити простий базовий паралельно-резонансний кварцовий генератор, аналогічний по роботі генератору Пірса, використовуючи КМОП-інвертор як елемент посилення. Базовий кварцовий генератор складається з одного логічного вентиля, що інвертує, тригера Шмітта, такого як TTL 74HC19 або CMOS 40106, 4049, індуктивного кристала і двох конденсаторів. Ці два конденсатори визначають величину ємності навантаження кристала. Послідовний резистор допомагає обмежити струм збудження в кристалі, а також ізолює вихід інвертора від комплексного імпедансу, утвореного ланцюгом конденсатор-кристал.

КМОП-кристалічний генератор

Кристал коливається на своїй послідовній резонансній частоті. КМОП-інвертор спочатку зміщений у середину своєї робочої області резистором зворотного зв'язку R1. Це гарантує, що точка Q інвертора знаходиться у сфері високого посилення. Тут використовується резистор номіналом 1 МОм, але його значення не є критичним, якщо воно більше 1 МОм. Додатковий інвертор використовується для буферизації виходу генератора на підключене навантаження.

Інвертор забезпечує 180o фазового зсуву, а ланцюг конденсаторів кристала - додаткові 180o, необхідні генерації. Перевага КМОП-кристалічного генератора полягає в тому, що він автоматично перебудовується для підтримки цього 360o фазового зсуву для генерації.

На відміну від попередніх кварцових транзисторних генераторів, які видавали синусоїдальну форму вихідного сигналу, оскільки генератор КМОП-інвертора використовує цифрові логічні вентилі, вихід являє собою прямокутну хвилю, що коливається між HIGH і LOW. Звичайно, максимальна робоча частота залежить від комутаційних характеристик використовуваного логічного вентиля.

Мікропроцесорний кварцовий годинник

Ми не можемо закінчити підручник з кварцових генераторів, не згадавши що-небудь про кварцовий годинник мікропроцесора. Практично всі мікропроцесори, мікроконтролери, PIC та CPU зазвичай працюють з використанням кварцового генератора як пристрій визначення частоти для генерації свого тактового сигналу, оскільки, як ми вже знаємо, кварцові генератори забезпечують найвищу точність та стабільність частоти порівняно з резисторно-конденсаторними (RC ) або індуктивно-конденсаторними (LC) генераторами.

Тактова частота ЦП визначає, наскільки швидко процесор може працювати та обробляти дані з мікропроцесором, PIC або мікроконтролером, що мають тактову частоту 1 МГц, що означає, що він може обробляти дані всередині один мільйон разів на секунду за кожен тактовий цикл. Зазвичай все, що потрібно для створення тактового сигналу мікропроцесора, - це кристал і два керамічні конденсатори номіналом від 15 до 33 пФ, як показано нижче.

Мікропроцесорний генератор

Більшість мікропроцесорів, мікроконтролерів та PIC мають два висновки генератора, позначених OSC1 та OSC2, для підключення до зовнішньої схеми кварцового кристала, стандартної мережі RC-генератора або навіть керамічного резонатора. У цьому типі застосування мікропроцесора кварцовий кристалічний генератор виробляє послідовність безперервних прямокутних імпульсів, основна частота контролюється самим кристалом. Ця основна частота регулює потік інструкцій, які керують процесором. Наприклад, головний годинник і системна синхронізація.

Приклад кварцового генератора №2

Кристал кварцу має такі значення після розрізання: Rs = 1 кОм, Cs = 0,05 пФ, Ls = 3 Гн та Cp = 10 пФ. Розрахуйте послідовні та паралельні коливальні частоти кристалів.

Послідовна коливальна частота визначається як:

Частота паралельних коливань визначається як:

Тоді частота коливань кристала буде між 411 і 412 кГц.