در این مطلب سعی خواهد شد تا شما عزیزان و علاقه‌مندان به الکترونیک را با اسیلاتورهای بلور کوارتز آشنا سازیم. یکی از مهمترین ویژگی‌های هر اسیلاتور پایداری فرکانس آن یا به عبارت دیگر توانایی تهیه یک خروجی فرکانس ثابت در شرایط بار الکتریکی متفاوت است.

برخی از عواملی که بر پایداری فرکانس یک اسیلاتور تأثیر می‌گذارند، به طور کلی عبارتند از: تغییرات دما، تغییرات بار و همچنین تغییر در ولتاژ منبع تغذیه جریان مستقیم آن با نام‌هایی متفاوت. ثبات فرکانس سیگنال خروجی را می‌توان با انتخاب مناسب اجزای مورد استفاده برای مدار بازخورد تشدید کننده، از جمله آمپلی‌فایرها، تا حد زیادی بهبود بخشید. اما این پایداری محدودیتی دارد که می‌توان از مدارهای معمولی مخزن LC و RC آنها را به دست آورد.

برای بدست آوردن سطح بسیار بالایی از پایداری، نوعی اسیلاتور از بلور کوارتز و به عنوان دستگاه تعیین‌کننده فرکانس برای تولید انواع دیگری از مدارهای اسیلاتور استفاده می‌شود که به طور کلی با عنوان اسیلاتورهای بلور کوارتز (XO) شناخته می‌شود. هنگامی که یک منبع ولتاژ به قطعاتی نازک و کوچک از بلور کوارتز اعمال می‌شود، شروع به تغییر شکل می‌کند و خصوصیاتی را به وجود می‌آورند که به عنوان اثر پیزو الکتریک[۱] شناخته می‌شود. این اثر پیزو الکتریکی خاصیت منحصر به بلور است که به وسیله آن یک بار الکتریکی با تغییر شکل بلور نیروی مکانیکی تولید می‌کند و بالعکس، نیروی مکانیکی وارد شده به بلور باعث ایجاد بار الکتریکی می‌شود.

اسیلاتور بلور کوارتز

 

پس دستگاه‌های پیزو الکتریکی را می‌توان در گروه ترانسفورماتورها دسته‌بندی کرد؛ زیرا آنها انرژی یک نوع را به انرژی نوع دیگر (الکتریکی به مکانیکی یا مکانیکی به الکتریکی) تبدیل می‌کنند. این اثر پیزو الکتریکی باعث ایجاد ارتعاشات یا نوسانات مکانیکی می‌شود که می‌تواند برای جایگزینی مدار مخزن LC استاندارد در اسیلاتورهای قبلی استفاده شود. انواع مختلفی از مواد بلوری وجود دارند که می‌توانند به عنوان اسیلاتور مورد استفاده قرار گیرند و مهمترین آنها برای مدارهای الکترونیکی، مواد معدنی کوارتز است؛ به این خاطر که مقاومت مکانیکی آنها بیشتر است.

بلور کوارتز استفاده شده در اسیلاتورهای بلور کوارتز، یک قطعه یا بخش بسیار کوچک و نازک از برش کوارتز است که دو سطح موازی آن فلزکاری شده است تا اتصالات الکتریکی مورد نیاز را ایجاد کند. اندازه فیزیکی و ضخامت یک قطعه بلور کوارتز به شدت کنترل می‌شود؛ زیرا بر فرکانس نهایی یا اساسی نوسانات تأثیر می‌گذارد. فرکانس اساسی را”فرکانس مشخصه” بلورها می‌نامند. بعد از برش و شکل گرفتن، بلور در هیچ فرکانس دیگری قابل استفاده نیست. به عبارت دیگر، اندازه و شکل بلور، فرکانس نوسان اساسی آن را تعیین می‌کند. مشخصه بلورها یا فرکانس ویژگی‌ها با ضخامت فیزیکی آن بین دو سطح فلزکاری شده رابطه معکوس دارد. یک بور ارتعاشی مکانیکی را می توان با یک مدار الکتریکی هم‌ارزش متشکل از مقاومت کم R، یک ظرفیت القاء بزرگ و توان کم C، همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است، نمایش داد.

مدل هم ارزش اسیلاتورهای بلور کوارتز:

مدار الکتریکی معادل برای اسیلاتورهای بلور کوارتز یک مدار RLC سری را نشان می‌دهد که نشان‌دهنده ارتعاشات مکانیکی بلور در موازات با خازن، CP است و اتصالات الکتریکی به بلور را نشان می‌دهد.

اسیلاتورهای بلور کوارتز تمایل دارند که در جهت “رزونانس صدای سری” عمل کنند.

مقاومت هم‌ارزشِ بلور توان رزونانس صدای سری دارد که در آن C ها با ظرفیت القا و L ها در عملکرد فرکانسی بلورها تشدید می‌شوند. این فرکانس، فرکانس سری بلورها یا ƒs نیز نامیده می‌شود. علاوه بر این فرکانس سری، همینطور که در شکل زیر نشان داده شده است، یک نقطه فرکانس دوم نیز وجود دارد که در نتیجه رزونانس صدای موازی ایجاد شده است؛ یعنی زمانی که L ها و C ها با خازن موازی Cp در هم می‌‌پیچیدند.

امپدانس اسیلاتورهای بلور کوارتز در برابر فرکانس:

شیب امپدانس اسیلاتورهای بلور کوارتز فوق نشان می‌دهد که با افزایش فرکانس در انتهای آن در یک فرکانس خاص، فعل و انفعالات بین خازن‌های سری C و واسطه‌های Ls یک مدار رزونانس سری ایجاد می‌کند تا امپدانس بلورها را به حداقل و برابر با Rs کاهش دهد. به این نقطه فرکانس، فرکانس رزونانس سری بلور ƒs گفته می‌شود و در مقادیر کمتر از ƒs، بلور خازنی است. با افزایش فرکانس بالاتر از این نقطه رزونانس سری، بلور مانند یک واسطه رفتار می کند تا زمانی که فرکانس به میزان رزونانس موازی خود برسد؛ یعنی ƒp. در این نقطه فرکانسی و فعل و انفعالات بین واسط سری، Ls و خازن موازی، Cp مدار مخزنی LC با تنظیم موازی ایجاد می‌کند و به همین ترتیب امپدانس در سراسر بلور به حداکثر مقدار خود می‌رسد.

در این صورت می‌توانیم ببینیم که بلور کوارتز ترکیبی از مدارهای رزونانس تنظیم شده سری و موازی است که در دو فرکانس متفاوت قابلیت نوسان دارد و بسته به نوع برش بلور، تفاوت خیلی کمی بین این دو وجود دارد. همچنین از آنجا که بلور می‌تواند در هر دو حالت رزونانس موازی یا سری خود عمل کند، لازم است یک مدار اسیلاتور بلور با یکی از این فرکانس‌ها تنظیم شود؛ زیرا نمی‌توان از هر دو با هم استفاده کرد.

بنابراین بسته به مشخصات مدار، یک بلور کوارتز می‌تواند به عنوان خازن، واسط، مدار رزونانس سری یا مدار تشدید موازی عمل کند و برای نشان دادن این مسئله با وضوح بیشتر، می‌توانیم همانطور که نشان داده شده است، واکنش‌پذیری بلورها را در برابر فرکانس رسم کنیم.

واکنش اسیلاتورهای بلور کوارتز در برابر فرکانس:

شیب واکنش‌پذیری در برابر فرکانس‌های بالا، نشان می‌دهد که واکنش‌پذیری سری در فرکانس ƒs با Cs رابطه عکس دارد زیرا پایین‌تر از ƒs و بالاتر از ƒp بلور خازنی نشان داده شده است. بین فرکانس‌های ƒs و ƒp، با از بین رفتن دو ظرفیت خازنی موازی، بلور القائی به نظر می‌رسد. پس فرمول فرکانس رزونانس سری بلورها، یعنی ƒs به صورت زیر نمایش داده می‌شود:

فرکانس رزونانس سری:

فرکانس تشدید موازی یا ƒp هنگامی رخ می‌دهد که واکنش‌پذیری بخش سری LC برابر باشد با واکنش‌پذیری خازن موازی Cp برابر باشد و به صورت زیر ارائه می‌شود:

فرکانس رزونانس موازی:

اسیلاتورهای بلور کوارتز؛ مثال شماره ۱

یک بلور کوارتز مقادیر زیر را داراست:

Rs = 6.4Ω / Cs = 0.09972pF / Ls = 2.546Mh

اگر ظرفیت خازن در بیشترین میزان آن باشد، Cp با میزان pF28.68 اندازه گیری می‌شود و فرکانس اساسی نوسان بلور و فرکانس رزونانس ثانویه آن محاسبه می‌شوند.

فرکانس رزونانس سری بلورها، ƒS:

فرکانس رزونانس موازی بلورها، ƒP:

می‌بینیم که تفاوت بین ƒs، فرکانس اساسی بلور و ƒp به مقدار کمی در حدود ۱۸ کیلوهرتز (۱۰.۰۰۵ مگاهرتز تا ۹.۹۸۷ مگاهرتز) است. اما در طی این دامنه فرکانس، فاکتور Q (فاکتور کیفیت) بلور بسیار بالا است؛

زیرا القاء بلور بسیار بالاتر از مقادیر خازنی یا مقاومتی آن است. ضریب Q بلورِ ما در فرکانس رزونانس سری به شرح زیر است:

اسیلاتورهای بلور کوارتز ضریب Q:

پس ضریب Q مثال بلور ما که حدود ۲۵۰۰۰ است، به دلیل همین نسبت بالای XL  روی R است. ضریب Q اکثر بلورها، در مقایسه با مدار مخزن تنظیم شده LC که قبلاً آن را بررسی کردیم که بسیار کمتر از ۱۰۰۰ بود، بین ۲۰۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰۰ است. این مقدار ضریب Q بالا همچنین به ثبات بیشتر فرکانس بلور نسبت به فرکانس عملکرد آن یاری می‌رساند و آن را برای ساخت اسیلاتور بلور ایده‌آل می‌سازد. بنابراین دیدیم که یک بلور کوارتز، فرکانس رزونانسی مشابه فرکانس مدار مخزن تنظیم برق LC، اما با ضریب Q بسیار بالاتر دارد. این عمدتا به دلیل مقاومت سری کم آن، Rs است. در نتیجه، بلورهای کوارتز گزینه‌ای عالی برای استفاده در اسیلاتورها به ویژه اسیلاتورهایی با فرکانس بسیار بالا هستند.

اسیلاتورهای بلوری معمولی بسته به پیکربندی مدار و دستگاه آمپلی‌فایر مورد استفاده می‌توانند بین فرکانس‌های نوسان در بازه‌ای بین ۴۰ کیلوهرتز تا بیش از ۱۰۰ مگاهرتز باشند. همچنین برش بلور، نحوه رفتار آن را تعیین می‌کند. زیرا بعضی از بلورها با بیش از یک فرکانس می‌لرزند و نوسانات اضافی به نام لرزش‌های فرعی تولید می‌کنند. همچنین اگر بلور از ضخامت موازی یا یکنواختی برخوردار نباشد، ممکن است دو یا چند فرکانس رزونانسی داشته باشد که هر دوی آنها یک فرکانس اساسی دارند و همان چیزی را تولید می‌کنند که به آن هارمونیک می‌گوییم و انواع هارمونیک دوم و سوم را تولید می‌کنند.

به طور کلی با این که فرکانس نوسانی اساسی برای یک بلور کوارتز بسیار قوی‌تر یا برجسته‌تر از هارمونیک‌های ثانویه و بقیه است، اما این مورد، استفاده می‌گردد. در نمودارهای بالا مشاهده کردیم که مدار هم ارزش با بلورها دارای سه جزء واکنش‌پذیر، دو خازن و یک واسط است. بنابراین دو فرکانس رزونانسی وجود دارد که کمترین آنها یک فرکانس رزونانسی سری و بیشترین آنها، فرکانس رزونانسی موازی است.

در آموزش‌های قبلی دیدیم که مدار آمپلی‌فایر اگر یک حلقه افزایش بزرگ‌تر یا برابر با یک داشته باشد و بازخورد مثبت باشد، نوسان دارد. در یک مدار اسیلاتور بلور کوارتز، اسیلاتور در فرکانس رزونانسی موازی و بنیادی بلورها دارای نوسان می‌شود؛ به طوری که بلور همیشه وقتی منبع ولتاژ روی آن اعمال می شود، تمایل دارد نوسان کند. با این حال، می‌توان یک اسیلاتور بلور را با هر هارمونیک فرکانس اساسی (دوم، چهارم، هشتم و غیره تنظیم کرد) و اینها به طورکل به عنوان اسیلاتورهای هارمونیک شناخته می‌شوند؛ در حالی که اسیلاتورهای فرعی در مضرب‌های فرد فرکانس‌های اساسی (سوم، پنجم، یازدهم و غیره) ارتعاش می‌کنند. به طور کلی اسیلاتورهای بلوری که در فرکانس های فرعی عمل می‌کنند، این کار را با استفاده از فرکانس رزونانسی سری خود انجام می دهند.

اسیلاتور کولپیتس بلور کوارتز:

مدارهای اسیلاتور بلوری به طور کلی با استفاده از ترانزیستورهای دو قطبی یا FET ساخته می‌شوند. این بدان دلیل است که اگرچه از آمپلی‌فایرهای عملیاتی هم می‌توان در مدارهای مختلف اسیلاتوری با فرکانس پایین (۱۰۰kHz≤) مختلف استفاده کرد، اما آمپلی‌فایرهای عملیاتی پهنای باند را در دسترس ندارند تا بتوانند در برخورد با فرکانس‌های بالاتر و متناسب با بلورهای بالاتر از ۱ مگاهرتز، با موفقیت عمل کنند. طراحی یک اسیلاتور بلور، شباهت زیادی به طراحی اسیلاتور کولپیتس دارد که در آموزش قبلی، آن را بررسی کردیم. با این تفاوت که مدار مخزن LC که نوسانات بازخورد را فراهم می‌کند، همانطور که در زیر نشان داده شده است، با بلور کوارتز جایگزین می‌شود.

اسیلاتور کولپیتس بلور:

این نوع اسیلاتورهای بلوری در اطراف یک آمپلی‌فایر مشترک گردآورنده طراحی شده‌اند. شبکه مقاومت ۱R و ۲R سطح سوگیری DC را در پایه تنظیم می‌کنند؛ در حالیکه مقاومت امیتر، سطح ولتاژ خروجی را تنظیم می‌کند. مقاومت ۲R برای جلوگیری از بارگیری در بلورهای متصل موازی، تا حد ممکن زیاد تنظیم شده است.

ترانزیستور ۴۲۶۵N2 یک ترانزیستور عمومی NPN است که در یک پیکربندی مشترک جمع‌آوری شده است و قادر است با سرعت بیش از ۱۰۰ مگاهرتز، بسیار بالاتر از فرکانس اساسی بلورها که می‌تواند بین ۱ تا ۵ مگاهرتز باشد، کار کند. نمودار مدار بالا از مدار اسیلاتور بلور Colpitts نشان می‌دهد که خازن‌ها، C1 و C2 خروجی ترانزیستور را کنترل می‌کنند که باعث کاهش سیگنال بازخورد می‌شود. نمودار مدار بالا از مدار اسیلاتور کولپیتس بلوری نشان می‌دهد که خازن‌های ۱C و ۲C خروجی ترانزیستور را تغییر جهت می‌دهند و سیگنال بازخورد را کاهش می‌دهند. بنابراین بهبود ترانزیستور حداکثر مقادیر ۱C و ۲C را محدود می‌کند. دامنه خروجی باید پایین نگه داشته شود تا از اتلاف بیش از حد توان بلور جلوگیری شود؛ در غیر این صورت بلور با لرزش بیش از حد، خود را از بین می‌برد.

اسیلاتور پیرس:

یکی دیگر از طرح‌های معمول اسیلاتور بلور کوارتز، اسیلاتور پیرس است. اسیلاتور پیرس از نظر طراحی بسیار شبیه به اسیلاتور قبلی، کولپیتس است و برای اجرای مدارهای اسیلاتور بلوری با استفاده از بلور به عنوان بخشی از مدار بازخورد، بسیار مناسب است. اسیلاتور پیرس در درجه اول یک مدار تنظیم شده رزونانس سری است (برخلاف مدار رزونانس موازی نوسانگر کولپیتس) که از JFET به عنوان دستگاه آمپلی‌فایر اصلی خود استفاده می‌کند؛ به طوری که همانطور که در پایین نشان داده شده است، FET امپدانس ورودی بسیار بالایی را با بلوری که از طریق خازن ۱C بین بخش تخلیه و دروازه متصل شده است، فراهم می‌کند.

اسیلاتور بلور پیرس:

در این مدار ساده، بلور فرکانس نوسانات را تعیین می‌کند و با فرکانس رزونانسی سری خود (ƒs ) عمل می‌کند و یک مسیر امپدانس کم بین خروجی و ورودی ایجاد می‌کند. یک تغییر فاز ۱۸۰ درجه ای در رزونانس وجود دارد که بازخورد را مثبت می‌کند. دامنه موج سینوسی خروجی به حداکثر دامنه ولتاژ در بخش Drain، محدود می‌شود.

در بحث مقاومت، ۱R میزان بازخورد و راندن بلور را کنترل می‌کند؛ در حالی که ولتاژ فرکانس رادیویی بسته می‌گردد، RFC در طی هر چرخه معکوس می‌شود. اکثر ساعت‌های دیجیتال، ساعت مچی‌ها و تایمرها از اسیلاتور پیرس به نوعی یا شکل دیگر استفاده می‌کنند؛ به طوری که می‌توان با استفاده از حداقل اجزای سازنده آن را اجرا کرد.

علاوه بر استفاده از ترانزیستورها و FET، همچنین می‌توانیم یک اسیلاتور بلوری رزونانسی موازی ساده با عملکرد مشابه با اسیلاتور پیرس با استفاده از اینورتر CMOS به عنوان عنصر بهره ایجاد کنیم. اسیلاتور بلور کوارتز اصلی متشکل از یک ورودی منطقی قلاب اینورتر اشمیت مانند انواع TTL 74HC19 یا CMOS 40106,4049، یک بلور القایی و دو خازن است. این دو خازن مقدار ظرفیت بار بلورها را تعیین می‌کنند. مقاومت سری به محدود کردن جریان رانش در بلور کمک می‌کند و همچنین خروجی اینورترها را از امپدانس پیچیده تشکیل شده توسط شبکه بلوری خازن جدا می‌کند.

اسیلاتور بلور CMOS:

بلور در فرکانس تشدید رزونانسی خود نوسان می‌کند. اینورتر CMOS در ابتدا به وسیله مقاومت بازخورد ۱R، به نقطه وسط منطقه متمایل می‌گردد. این عمل، اطمینان می‌بخشد که نقطه Q متعلق به اینورتر در منطقه‌ای است که بهره بالایی دارد. در اینجا از مقاومتی با مقدار ۱MΩ استفاده می‌شود، اما تا زمانی که بیش از ۱MΩ نباشد، مقدار آن بحرانی نیست. از اینورتر اضافی برای گرفتن ضرب خروجی، از اسیلاتور به بار متصل استفاده می‌شود. اینورتر ۱۸۰ درجه برای تغییر فاز و شبکه خازن بلوری ۱۸۰ درجه اضافی مورد نیاز برای نوسان را فراهم می‌کند. مزیت اسیلاتور بلور CMOS این است که همیشه به طور خودکار خود را تنظیم می‌کند تا این تغییر فاز ۳۶۰ درجه را برای نوسان حفظ کند.

برخلاف اسیلاتورهای بلوری قبلی مبتنی بر ترانزیستور که خروجی خط موج سینوسی تولید کردند، همانطور که اسیلاتور اینورتر CMOS از ورودی‌های منطقی دیجیتال استفاده می‌کند، خروجی موج مربعی شکلی می‌شود که بین حالت بالا و پایین نوسان دارد. به طور طبیعی، حداکثر فرکانس عملکرد به ویژگی‌های تغییر حالت ورودی منطقی استفاده شده بستگی دارد.

ساعت‌های بلور ریز پردازنده:

نمی‌توانیم بدون ذکر چیزی در مورد ساعت‌های بلوری ریزپردازنده، آموزش اسیلاتورهای بلور کوارتز را به پایان برسانیم. تقریباً همه ریزپردازنده‌ها، میکروکنترلرها، PIC ها و CPU ها با استفاده از اسیلاتورهای بلور کوارتز به عنوان دستگاه تعیین فرکانس برای تولید طول موج ساعت، کار می‌کنند. زیرا همانطور که از قبل می‌دانیم، اسیلاتورهای بلوری بالاترین دقت و پایداری فرکانس را در مقایسه با نوسانگرهای مقاومت-خازن (RC) یا خازن واسط (LC) ارائه می‌دهند.

ساعت CPU حکایت از این دارد که پردازش با چه سرعتی انجام می‌گیرد و پردازش داده‌ها با ریزپردازنده، PIC یا میکروکنترلر با ساعتی که سرعت ۱ مگاهرتز دارد به این معنی است که می‌تواند داده‌ها را در هر چرخه ساعت، یک میلیون بار در ثانیه پردازش کند. به طور کلی تمام آنچه برای تولید شکل موج ساعت ریز پردازنده مورد نیاز است، بلور و دو خازن سرامیکی با مقادیر بین ۱۵ تا ۳۳ pF است که در زیر نشان داده شده است.

اکثر ریزپردازنده ها، میکروکنترلرها و PIC ها دارای دو گیره نوسان‌ساز با برچسب ۱OSC و ۲OSC برای اتصال به مدار بلور کوارتز خارجی، شبکه استاندارد اسیلاتور RC یا حتی رزونانتور سرامیکی هستند. در این نوع کاربردهای ریز پردازنده، اسیلاتور بلور کوارتز، رشته‌ای مداوم از پالس های موج مربع را تولید می‌کند که فرکانس پایه‌ای آن توسط خود بلور کنترل می‌شود. این فرکانس پایه‌ای جریان دستورالعمل‌هایی را کنترل می‌کند که دستگاه پردازنده را کنترل می‌کنند؛ به عنوان مثال، ساعت اصلی و زمان بندی سیستم.

اسیلاتور بلورهای کوارتز مثال شماره ۲:

بلور کوارتز پس از برش مقادیر زیر را داراست. Rs =1kΩ ،Cs= 0.05 pF ، Ls =3H و Cp = 10pF. سری بلورها و فرکانس‌های اسیلاتوری موازی را محاسبه کنید.

فرکانس اسیلاتوری سری به صورت زیر است:

فرکانس اسیلاتوری موازی نیز به صورت زیر ارائه می‌شود:

پس فرکانس اسیلاتوری بلور بین ۴۱۱ تا ۴۱۲ کیلوهرتز خواهد بود.