اسیلاتور بلور کوارتز و کاربرد آن در الکترونیک 

کریستال Crystal چیست؟

کریستال به عنوان یک قطعه الکترونیکی از تکه سنگی به نام کوارتز که ماده‌ای معدنی در طبیعت است و یک آی سی (مدار مجتمع) ساخته شده است. این قطعه دارای دو پایه است، بدنه فلزی دارد و در مقابل ضربه، حساس و آسیب پذیر است. کریستال الکترونیکی یکی از مهم‌ترین قطعات در صنعت اکترونیک است که به دلیل کاربردهای زیادی که دارد، بسیار پر استفاده است. وظیفه اصلی این قطعه، تولید سیگنال الکتریکی با فرکانس بسیار دقیق است. با دریافت ولتاژ و سیگنال الکتریکی، کریستال با فرکانس دقیق و مشخصی (مثلاً 16 مگاهرتز) به ارتعاش در می‌آید. با توجه به این‌که ارتعاش‌ها بسیار دقیق هستند، خروجی سیگنال الکتریکی، دقیق خواهد بود. به عنوان مثال؛ در بیشتر میکروکنترلرهای avr، یک کریستال (معمولاً 16 هرتز) را در کنار مدار قرار می‌دهند تا فرکانس کلی مدار را افزایش دهد.

اسیلاتور چیست؟

اسیلاتور یا نوسان ساز به عنوان یکی از قطعات الکترونیکی پر کاربرد، در مدارهای الکتریکی نقشی بسیار مهم دارد؛ به اندازه ای که می توان گفت عملکرد بسیاری از لوازم الکتریکی بدون وجود نوسان ساز ها مختل می شود. اسیلاتورها می توانند بدون اینکه هیچ ورودی دریافت کنند، تنها به کمک منبع تغذیه DC امواج و سیگنال های پیوسته، مکرر و متناوب الکتریکی با فرکانس بسیار دقیق (مثلا 16 مگاهرتز) تولید کنند. در مدارهای الکترونیکی با هدف کاهش طول آنتن ها و افزایش برد فرستنده ها، امواج حاوی اطلاعات از طریق امواج فرکانس بالا انتقال پیدا می کنند. انجام این کار نیازمند داشتن موج حمل کننده اطلاعات است؛ که اکثراً سیگنالی فرکانس بالا و به شکل سینوسی است. این موج ها به وسیله مدارهای اسیلاتور یا نوسان ساز تولید می شود. اسیلاتورها خود یک مدار مجزا هستند و کنترل بزرگی سیگنال، فرکانس و شکل موج تولید شده در آن ها، توسط اجزای موجود در مدار خودشان انجام می گیرد و به نیازی به هیچ ولتاژ کنترل خارجی نیست.

به بیان دیگر، به بخشی از مدارهای الکترونیکی که خود یک مدار جدا و مجزا هستند و برای حمل امواجی که حاوی اطلاعات هستند، امواج فرکانس بالا تولید می‌کنند، اسیلاتور یا نوسان ساز می‌گویند. در چنین مدارهایی که قرار است موج حامل اطلاعات بر روی موجی که حامل آن است سوار شود، هدف از تولید امواج فرکانس بالا، کاهش طول آنتن ها و افزایش برد فرستنده‌هاست. موج حامل توسط مدارهای اسیلاتور یا نوسان سازها در مدار تولید می‌شوند و یک سیگنال فرکانس بالاست. خرید اسیلاتور با کیفیت در این مدارها، اهمیت بالایی دارد.

کریستال نوسان ساز چیست؟

با توجه به این‌که هر کریستال فرکانس مخصوص به خود را دارد و از این قطعات در مدار اسیلاتور، برای تولید نوسانات استفاده می‌کنند، هر کریستال، با فرکانس خاصی که دارد، شناخته می‌‍شود. به این ترتیب، یک کریستال با قرار گرفتن در مدار اسیلاتور، فرکانس خاص خود را تولید می‌کند. به این قطعه الکترونیکی که نوعی نوسان ساز است، کریستال نوسان ساز(Crystal oscillator)  نیز می‌گویند که از اثر فشار برقی و قانون تشدید در کریستال کوارتز بهره می‌برد. توجه داشته باشید که اساس کار اسیلاتور با آمپلی فایر متفاوت است. آمپلی فایر سیگنال ورودی اعمال شده را تقویت می کند؛ در صورتی که اسیلاتور بدون اینکه هیچ ورودی داشته باشد، سیگنال تولید می کند.

اسیلاتور کریستالی کوارتز

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 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.

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” بلور ها 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.

نوسانگرهای کریستال کوارتز

نوسانگر کریستال کوارتز یک عنصر مهم در نوسانگر است. فرکانس کریستال (فرکانس اساسی یا فرکانس هارمونیکN ) و ویژگی های دمای آن به میزان زیادی بر روی جهت گیری برش بستگی دارد. ساختار اصلی رزوناتور کریستال کوارتز، بسته (فلزی پوسته) و مدار معادل آن در شکل نشان داده شده است.

تا زمانی که ولتاژ متناوب به صفحه نوسانگر کریستال اعمال شود، ویفر باعث ارتعاش تغییر شکل مکانیکی می شود که به اصطلاح اثر پیژوالکتریک معکوس است. هنگامی که فرکانس ولتاژ اعمال شده برابر با فرکانس طبیعی رزوناتور کریستال است، رزونانس پیزوالکتریک رخ می دهد، و در نتیجه افزایش ناگهانی در دامنه تغییر شکل مکانیکی است.

ظرفیت الکترواستاتیک بین صفحه فلزی؛ L، C پارامترهای معادل رزونانس پیزوالکتریک هستند؛ R مقاومت معادل از دست دادن اصطکاک ارتعاش است. رزوناتور کریستال کوارتز دارای یک فرکانس رزونانس سری (fos) (1 / 2π) است و همچنین فرکانس رزونانس موازی fop (1 / 2π) وجود دارد. از آنجا که Co؟ C، تفاوت بین fop و fos کوچک است و R ؟؟ OL، R؟ ۱ / OC، عامل کیفیت Q مدار تشدید بسیار بالا است (تا چندین میلیون)، به طوری که کریستال کوارتز رزوناتور ترکیب ثبات فرکانس نوسانگر بسیار بالا است، تا ۱۰-۱۲ در روز. فرکانس نوسان از نوسانگر کریستال کوارتز را می توان تقریبا در FOS یا نزدیک FOP عمل کرد. بنابراین، نوسانگر کریستال کوارتز را می توان به نوع سری و موازی تقسیم کرد. با استفاده از رزوناتورهای کریستال کوارتز و مدارهای معادل آن به جای اجزاء القایی (L) و ظرفیت (C) مخزن LC برای تشکیل مخزن رزونانس، آسان است که اصل کار از نوسانگر کریستالی را درک کنید.

مدل هم ارزش اسیلاتور 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. اسیلاتور های 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.

کاربرد کریستال کوارتز در الکترونیک چیست؟

معمولاً برای زمان‌بندی و تولید سیگنال ساعت یا کلاک در آی سی های میکروکنترلر یا تراشه های مرکزی یک برد الکترونیکی از نوسان ساز کریستالی استفاده می‌شود. سیگنال تولید شده توسط کریستال‌ها میتواند تا چندین مگاهرتز بوده و بسیار دقیق و تقریباً بدون خطا باشد. یکی از کاربردهای کریستال و نوسان ساز کوارتز زمانی است که در یک مدار احتیاج به تولید فرکانس بالاتری باشد.

انواع اسیلاتور ها

اسیلاتورها به دو دسته اصلی طبقه بندی می شوند:

• اسیلاتورهای خطی که به عنوان نوسان سازهای هارمونیک هم شهرت دارند.

جریان انرژی در این نوع اسیلاتورها، از سمت اجزای فعال به اجزای غیر فعال است. موج های تولید شده توسط این نوع اسیلاتور ها موج های سینوسی با تحریف کم هستند.

• نوسان ساز های غیر خطی یا   Relaxation

در این نوع اسیلاتور ها، فرکانس نوسانات با شارژ و تخلیه در مقادیر ثابتی از زمان تعیین می شود و انرژی بین اجزای فعال و غیر فعال رد و بدل می شود. موج تولید شده توسط اسیلاتور های غیر خطی امواج غیر سینوسی به شکل امواج مربع یا مثلثی است.
انواع نوسان سازها شامل موارد زیر است:

• نوسان ساز کولپیتس (سینوسی)
• کریستال اسیلاتور
• اسیلاتور تغییر فاز  RC
• نوسان ساز های رابینسون
• اسیلاتور هارتلی (سینوسی)
• اسیلاتور آرمسترانگ (سینوسی)
• نوسان سازهای پیرس
• اسیلاتور گون
• نوسان ساز های  Clapp
• نوسان سازهای پیرسون-آنسون
• اسیلاتور پل وین
• نوسان ساز کنترل شده با ولتاژ
• اسیلاتور های تاخیری
• نوسان ساز حلقه ای
• اسیلاتور های چند موج
• مولتی ویبراتور مونو آستابل (یک حالته)؛ مربعی
  مولتی ویبراتور بای آستابل (دو حالته)؛ مربعی

  

امپدانس اسیلاتور 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 اسیلاتور 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

اسیلاتور بلور کوارتز مثال شماره 1

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 18 کیلوهرتز (10.005 مگاهرتز تا 9.987 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:

اسیلاتور بلور کوارتز ضریب Q

پس ضریب Q مثال بلور ما که حدود 25000 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 1000 بود، بین 20000 تا 200000 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 40 کیلوهرتز تا بیش از 100 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.

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 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 (100kHz≤) 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 1 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 1R و 2R سطح سوگیری DC را در پایه تنظیم می‌کنند؛ در حالیکه مقاومت امیتر، سطح ولتاژ خروجی را تنظیم می‌کند. مقاومت 2R برای جلوگیری از بارگیری در بلورهای متصل موازی، تا حد ممکن زیاد تنظیم شده است.

ترانزیستور 4265N2 یک ترانزیستور عمومی NPN است که در یک پیکربندی مشترک جمع‌آوری شده است و قادر است با سرعت بیش از 100 مگاهرتز، بسیار بالاتر از فرکانس اساسی بلورها که می‌تواند بین 1 تا 5 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 1C و 2C خروجی ترانزیستور را تغییر جهت می‌دهند و سیگنال بازخورد را کاهش می‌دهند. بنابراین بهبود ترانزیستور حداکثر مقادیر 1C و 2C 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 کولپیتس پیرس

اسیلاتور پیرس یکی دیگر از طرح‌های معمول اسیلاتور بلور کوارتز است که از نظر طراحی شباهت بسیاری به اسیلاتور کولپیتس دارد 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 ترانزیستور 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 1C بین بخش تخلیه و دروازه متصل شده است، فراهم می‌کند.

اسیلاتور 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 180 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، 1R 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 1R، 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 1MΩ استفاده می‌شود، اما تا زمانی که بیش از 1MΩ نباشد، مقدار آن بحرانی نیست. از اینورتر اضافی برای گرفتن ضرب خروجی، از اسیلاتور به بار متصل استفاده می‌شود. اینورتر 180 درجه برای تغییر فاز و شبکه خازن بلوری 180 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 360 درجه را برای نوسان حفظ کند. 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.

ساعت های 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 1 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 15 تا 33 pF است که در زیر نشان داده شده است.

اکثر ریزپردازنده ها، میکروکنترلرها و PIC ها دارای دو گیره نوسان‌ساز با برچسب 1OSC و 2OSC 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 بلور کوارتز مثال شماره 2

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 411 تا 412 کیلوهرتز خواهد بود.