بررسی اسیلاتور کریستالی به همراه مثال- بخش دوم

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: برای مطالعه بخش اول به بررسی اسیلاتور کریستالی به همراه مثال- بخش اول مراجعه نمایید.

 

اسیلاتور کریستال کوارتز کولپیتس

مدار‌های اسیلاتور کریستالی در حالت کلی، بر اساس ترانزیستور‌های دوقطبی یا FET ساخته می‌شوند. زیرا اگرچه می‌توان از تقویت‌کننده‌های عملیاتی در مدار‌های اسیلاتور با فرکانس پایین‌تر از ۱۰۰kHzنیز استفاده کرد، اما تقویت‌کننده‌های عملیاتی پهنای باند لازم برای عملکرد در فرکانس‌های بالاتر از ۱MHzرا ندارند. در این بازه فرکانسی، از کریستال استفاده می‌شود.

طراحی اسیلاتور کریستالی به طراحی اسیلاتور کولپیتس که در قسمت‌های قبل آن را مشاهده کردیم، بسیار نزدیک است. تفاوت در این است که مدار تانک LC که در فیدبک اسیلاتور باعث تولید نوسان می‌شود با کریستال کوارتز جایگزین شده است. شکل زیر، این مسئله را نشان می‌دهد:

این نوع از اسیلاتور‌های کریستالی بر اساس تقویت‌کننده کلکتور مشترک طراحی می‌شوند. شبکه مقاومتی R۱و R۲ سطح بایاس DC روی بیس را تنظیم می‌کند. مقاومت امیتر (RE) نیز سطح ولتاژ خروجی را تنظیم می‌کند. مقاومت R۲ به اندازه کافی بزرگ انتخاب می‌شود تا اثر بارگذاری روی کریستال که به صورت موازی به مقاومت متصل است، صفر شود. ترانزیستور نوع ۲N۴۲۵۶، یک ترانزیستور NPN همه کاره است که به صورت کلکتور مشترک مورد استفاده قرار می‌گیرد و قابلیت کلیدزنی تا سرعت ۱۰۰MHz را داراست. این مقدار، از فرکانس بنیادی کریستال (۱MHz و ۵MHz) بزرگتر است.

دیاگرام مداری نشان داده در شکل بالا، مدار اسیلاتور کریستالی کولپیتس را نشان می‌دهد. در این مدار، خازن‌های C۱و C۲ خازن‌های بای‌پس هستند و خروجی ترانزیستور را حذف می‌کنند. به این ترتیب، سیگنال فیدبک کوچکتر می‌شود. بنابراین، از آنجا که می‌خواهیم بهره ترانزیستور را در مقدار معقولی نگه داریم، مقادیر C۱ و C۲باید محدود شوند. برای جلوگیری از اتلاف توان اضافی در کریستال، دامنه خروجی باید تا حد امکان کوچک نگه داشته شود. در غیر این صورت، به دلیل نوسان‌های زیاد، مدار کارایی خود را از دست خواهد داد.

اسیلاتور پیرس

یک طراحی معمول دیگر برای اسیلاتور کریستال کوارتز، «اسیلاتور پیرس» (Pierce Oscillator) است. طراحی اسیلاتور پیرس به اسیلاتور کولپیتس بسیار نزدیک است. این اسیلاتور، برای پیاده‌سازی مدار اسیلاتور کریستالی بسیار مناسب است. در این اسیلاتور، از یک کریستال به عنوان قسمتی از مدار فیدبک استفاده می‌شود.

اساسا اسیلاتور پیرس یک مدار تنظیم‌شده تشدیدی سری است که در قسمت تقویت‌کننده خود از JFET استفاده می‌کند. زیرا ترانزیستور FET امپدانس ورودی بسیار بزرگی دارد. شکل زیر، مدار اسیلاتور کریستالی پیرس را نشان می‌دهد:

در این حالت، کریستال به همراه خازن C۱بین درین و گیت ترانزیستور قرار می‌گیرد. در این مدار ساده، کریستال تعیین‌کننده فرکانس نوسان‌هاست. این اسیلاتور در فرکانس تشدیدی سری خود (fs) کار می‌کند. به این ترتیب، یک مسیر با امپدانس کم بین ورودی و خروجی اسیلاتور ایجاد می‌شود. در فرکانس تشدید، یک جابجایی فاز ۱۸۰ درجه بین ورودی و خروجی ایجاد می‌شود که باعث مثبت شدن فیدبک می‌شود. دامنه موج سینوسی خروجی به وسیله حداکثر محدوده ولتاژ در پایانه درین ترانزیستور اثر میدانی محدود می‌شود.

در حالی که ولتاژ دو سر چوک فرکانس رادیویی، در هر چرخه معکوس می‌شود، مقاومت R۱مقدار فیدبک و تحریک کریستال را کنترل می‌کند. بیشتر ساعت‌ها و تایمر‌های دیجیتال، به نوعی از اسیلاتور پیرس استفاده می‌کنند. زیرا می‌توان با کمترین تعداد قطعات مداری، این اسیلاتور را ساخت.

علاوه بر استفاده از ترانزیستور و FET در ساخت اسیلاتور کریستالی، می‌توان از اینورتر CMOS به عنوان المان بهره در اسیلاتور‌های کریستالی تشدیدی موازی استفاده کرد. یک اسیلاتور کریستالی کوارتز ساده از یک گیت منطقی اشمیت تریگر معکوس‌کننده یا CMOS، یک سلف کریستالی و دو خازن تشکیل می‌شود. این دو خازن مقدار ظرفیت خازنی بار کریستال را تعیین می‌کنند. مقاومت سری نیز به محدود کردن جریان تحریک کریستال کمک می‌کند و خروجی معکوس‌کننده را نسبت به امپدانس مختلط ایجاد شده توسط شبکه کریستال-خازنی عایق می‌کند.

شکل زیر، یک اسیلاتور کریستالی با CMOS را نشان می‌دهد:

اسیلاتور کریستالی CMOS کریستال در فرکانس تشدیدی سری خود نوسان می‌کند. اینورتر CMOS در ابتدا به وسیله مقاومت فیدبک خود یعنی R۱به میانه ناحیه عملکرد خود بایاس می‌شود. این مورد تضمین می‌کند که نقطه Q. اینورتر، در ناحیه بهره بالا قرار می‌گیرد. در اینجا از یک مقاومت با مقدار ۱MΩ استفاده می‌شود. اما اگر بزرگتر از ۱MΩباشد، به دلیل بزرگ بودن آن، اهمیت خود را از دست می‌دهد. از یک اینورتر اضافی برای بافر کردن خروجی اسیلاتور به بار متصل به آن استفاده می‌شود.

اینورتر، جابجایی فازی معادل ۱۸۰ درجه ایجاد می‌کند و شبکه خازنی کریستال، یک اختلاف فاز ۱۸۰ درجه دیگر ایجاد می‌کند که برای شروع نوسان‌ها لازم است. مزیت اسیلاتور کریستالی CMOS، این است که می‌تواند خود را مجددا تنظیم کند تا به جابجایی فاز ۳۶۰ درجه لازم برای نوسان برسد.

بر خلاف اسیلاتور‌های کریستالی قبلی که بر اساس ترانزیستور بودند و در خروجی خود شکل موج سینوسی ایجاد می‌کردند، اینورتر اسیلاتور CMOS از گیت‌های منطقی دیجیتال استفاده می‌کند. به این ترتیب، خروجی این اسیلاتور به صورت موج مربعی خواهد بود که در محدوده دامنه حداکثر و دامنه حداقل نوسان می‌کند. به طور طبیعی، حداکثر فرکانس نوسان به مشخصات کلیدزنی گیت منطقی استفاده شده بستگی دارد.

کلاک ریز پردازنده با کریستال کوارتز
‌
نمی‌توان مبحث اسیلاتور‌های کریستال کوارتز را بدون اشاره به ریزپردازنده‌های کلاک کریستالی پایان داد. به طور کلی همه ریزپردازنده‌ها، میکروکنترلرها، PIC‌ها و CPU‌ها از اسیلاتور کریستال کوارتز در بخش تعیین فرکانس خود استفاده می‌کنند تا شکل موج کلاک مورد نظر را تولید کنند. زیرا می‌دانیم که اسیلاتور‌های کریستالی، نسبت به اسیلاتور‌های مقاومتی-خازنی (RC) و سلفی-خازنی (LC) بالاترین میزان دقت و پایداری فرکانسی را فراهم می‌کنند.

کلاک CPU موید این مطلب است که یک پردازنده با چه سرعتی می‌تواند کار کند و عملیات پردازش اطلاعات را با ریزپردازنده، PIC یا میکروکنترلر انجام دهد. سرعت کلاک ۱MHzبرای این قطعات به این معنی است که این پردازنده می‌تواند در هر دوره تناوب کلاک، یک میلیون بار عملیات پردازش داخلی اطلاعات در ثانیه را انجام دهد. به طور کلی، تنها چیزی که یک ریزپردازنده برای تولید شکل موج کلاک نیاز دارد، یک کریستال و دو خازنی سرامیکی با مقادیری بین ۱۵ تا ۳۳ پیکوفاراد است. شکل زیر، یک اسیلاتور ریزپردازنده را نشان می‌دهد:

بیشتر ریزپردازنده‌ها، میکروکنترلر‌ها و PIC‌ها دو پین اسیلاتوری به نام‌های OSC۱و OSC۲دارند. این پین‌ها، به مدار کریستال کوارتز خارجی یا شبکه اسیلاتور RC استاندارد و یا حتی یک تشدیدکننده سرامیکی متصل می‌شوند. در این کاربرد ریز پردازنده‌ها، اسیلاتور کریستال کوارتز قطاری از پالس موج مربعی پیوسته تولید می‌کند که فرکانس بنیادی آن به وسیله خود کریستال کنترل می‌شود. این فرکانس بنیادی، دستگاه پردازنده را کنترل می‌کند. برای مثال، مسترکلاک و تایمینگ سیستم، به وسیله این فرکانس بنیادی تنظیم می‌شود.

در ادامه با بیان یک مثال دیگر، اسیلاتور کریستال کوارتز را مورد بررسی بیشتر قرار می‌دهیم.

مثال

مدار معادل یک اسیلاتور کریستال کوارتز، پس از برش مقادیر زیر را دارد:



مقدار فرکانس نوسان سری و موازی کریستال را محاسبه کنید.

حل: فرکانس نوسان سری به صورت زیر محاسبه می‌شود:



فرکانس نوسان موازی به صورت زیر داده می‌شود:



بنابراین فرکانس نوسان‌ها برای اسیلاتور کریستالی بین ۴۱۱kHZو ۴۱۲kHZ خواهد بود.

 

منبع: فرادرس