ELECTROPARTقیمت انواع مولتی سوئیچ آنتن مرکزی در الکتروپارت برای دریافت لیست قیمت , پیامک بزنید3893 866 936
برای رسیدن به سطوح بالای پایداری فرکانسی، لازم است که «کریستال کوارتز» (Quartz Crystal) وظیفه تشخیص فرکانس را به عهده بگیرد. به این ترتیب یک مدار نوسانساز به وجود میآید که به طور کلی آن را، «اسیلاتور کریستال کوارتز» (Quartz Crystal Oscillator) مینامند.
اثر پیزو-الکتریک
خاصیتی از کریستال که در آن بار الکتریکی، با تغییر شکل کریستال نیروی مکانیکی ایجاد میکند. به صورت معکوس، نیروی مکانیکی وارد بر کریستال نیز میتواند بار الکتریکی تولید کند.
انواع مختلفی از مواد کریستالی وجود دارند که میتوان از آنها به عنوان اسیلاتور استفاده کرد. از معروفترین انواع این مواد کریستالی برای مدارهای الکترونیکی میتوان به ماده معدنی کوارتز به دلیل استحکام مکانیکی بالای آن اشاره کرد.
پیزو الکتریک ها در واقع یک نوع از انرژی را به نوع دیگری از انرژی (الکتریکی به مکانیکی و مکانیکی به الکتریکی) تبدیل میکنند. اثر پیزو-الکتریک، باعث ایجاد لرزشهای مکانیکی یا نوسان الکتریکی میشود که میتوان از آن به جای مدار تانک LC در ملتی سوییچ ها استفاده کرد.
سری RLC، نمایانگر ارتعاشات مکانیکی کریستال و خازن موازی CPCP نمایانگر اتصالات الکتریکی کریستال است. اسیلاتورهای کریستال کوارتز تمایل دارند در فرکانس تشدید مدار RLC سری خود نوسان کنند.
امپدانس معادل کریستال، شامل یک تشدید سری است. در این حالت، خازن CsCs با اندوکتانس LsLs در فرکانس کاری کریستال تشدید میکند. این فرکانس، با نام فرکانس سری کریستال یا fsfs شناخته میشود. همانند این فرکانس سری، یک فرکانس ثانویه نیز وجود دارد که در نتیجه تشدید موازی روی میدهد. این تشدید موازی بین المانهای سری LsLs و CsCs و خازن موازی CPCP روی میدهد.
با افزایش فرکانس در خروجی اسیلاتور، در یک فرکانس خاص تعامل بین خازن و سلف سری CsCs و LsLs، یک مدار تشدیدی سری ایجاد میکند. این مدار تشدیدی سری باعث مینیمم شدن امپدانس خروجی کریستال میشود. امپدانس خروجی کریستال در این حالت با RsRsبرابر میشود. این نقطه، فرکانس تشدیدی سری کریستال نامیده میشود و با fsfs نشان داده میشود. در فرکانسهایی پایینتر از این فرکانس، کریستال خاصیت خازنی پیدا میکند.
اگر فرکانس نوسان اسیلاتور از نقطه تشدید سری مدار بزرگتر شود، اسیلاتور کریستالی تا رسیدن به نقطه فرکانس تشدید موازی (fpfp)، خاصیت سلفی خواهد داشت. در این نقطه از فرکانس، تعامل بین سلف سری (LsLs) و خازن موازی CpCp یک مدار تانک LC تنظیمشده را به وجود میآورد. به همین دلیل، امپدانس در دو سر کریستال به حداکثر مقدار ممکن خود میرسد.
میتوان مشاهده کرد که اسیلاتور کریستالی از نوع کوارتز، ترکیبی از مدارهای تشدیدی تنظیمشده سری و موازی است. این اسیلاتور در دو فرکانس متفاوت، تولید سیگنالهای نوسانی میکند. بسته به نحوه برش کریستال، این دو فرکانس متفاوت ممکن است اختلاف ناچیزی داشته باشند. از آنجا که اسیلاتور کریستالی را نمیتوان همزمان برای دو فرکانس تنظیم کرد، لازم است که مدار اسیلاتور کریستال برای یک فرکانس مشخص تنظیم شود. زیرا کریستال فقط در یکی از فرکانسهای تشدید سری یا موازی از خود خاصیت نوسانی نشان میدهد.
بنابراین بسته به مشخصات مدار، یک کریستال کوارتز ممکن است به صورت یک خازن، سلف یا مدار تشدیدی سری یا مدار تشدیدی موازی کار کند. برای اینکه این مسئله واضح شود، میتوان راکتانس کریستال را بر حسب فرکانس رسم کرد.
از آنجا که در فرکانسهای پایینتر از fsfs و فرکانسهای بالاتر از fpfp کریستال خاصیت خازنی دارد، بنابراین راکتانس سری در فرکانس fsfs به صورت معکوس با خازن CsCs متناسب است. بین فرکانسهای fsfs و fpfp، کریستال از خود خاصیت سلفی نشان میدهد. زیرا دو خازن موازی اثر یکدیگر را خنثی میکنند.
فرکانس تشدید سری کریستال یا همان fpfp به صورت زیر محاسبه میشود:
fs=12π√LsCs=12π√2.546mH×0.09972pFfs=12πLsCs=12π2.546mH×0.09972pF
fs=12π√0.002546×99.72×10−15=9.987MHzfs=12π0.002546×99.72×10−15=9.987MHz
فرکانس تشدید موازی کریستال یا fpfp نیز به صورت زیر محاسبه میشود:
fp=12π√Ls(CpCsCp+Cs))fp=12πLs(CpCsCp+Cs))
fp=12π√2.546mH×(28.68pF×0.09972pF28.68pF+0.09972pF)
fp=12π2.546mH×(28.68pF×0.09972pF28.68pF+0.09972pF)
fp=10004996Hz≈10.005MHzfp=10004996Hz≈10.005MHz
میتوان مشاهده کرد که اختلاف بین فرکانس بنیادی کریستال (fsfs) و fpfp بسیار کوچک و در حدود 18kHz18kHz است.
fp–fs=10.005MHz–9.987MHz=18kHzfp–fs=10.005MHz–9.987MHz=18kHz
هرچند در این محدوده فرکانسی، «ضریب کیفیت» (Quality Factor) کریستال عدد بسیار بزرگی است. زیرا اندوکتانس کریستال نسبت به مقادیر خازنی یا مقاومتی آن بسیار بزرگتر است. برای این مثال ضریب کیفیت اسیلاتور کریستالی در فرکانس تشدید سری، به صورت زیر داده میشود:
Q=XLR=2πfLR=2π×9.987×106×0.0025466.4Q=XLR=2πfLR=2π×9.987×106×0.0025466.4
Q=24966≈25000Q=24966≈25000
بزرگی ضریب کیفیت در این مثال (25000)، به دلیل نسبت بزرگ XLRXLR است. ضریب کیفیت بیشتر اسیلاتورهای کریستالی در محدوده 20000 تا 200000 است. اما ضریب کیفیت مدار تانک تنظیمشده در بهترین اسیلاتورهای LC، از عدد 1۰۰۰ نیز بسیار کمتر است. عدد بزرگ ضریب کیفیت کریستال، نمایانگر پایداری فرکانسی بهتر کریستال در فرکانس کاری آن است. به دلیل پایداری فرکانسی بهتر، از این ماده معدنی برای ساخت مدارهای اسیلاتور کریستالی بسیار استفاده میشود.
مشاهده کردیم که کریستال کوارتز، فرکانس رزونانسی مشابه مدار تانک LC تنظیمشده دارد. با این تفاوت که ضریب کیفیت آن بسیار بزرگتر است. ضریب کیفیت بزرگتر، به دلیل مقاومت سری (RsRs) کوچک اسیلاتور کریستالی رخ میدهد. در نتیجه، کریستال کوارتز انتخاب مناسبی برای استفاده در اسیلاتورهای فرکانس بالا است.
فرکانس نوسان تولید شده در اسیلاتورهای کریستالی، بسته به وضعیت مدار و تقویتکننده مورد استفاده، بازهای در حدود 40kHz40kHz تا 100MHz100MHz دارد. برش کریستال نیز در تعیین رفتار آن موثر است، زیرا بعضی کریستالها در بیشتر از یک فرکانس ارتعاش مکانیکی خواهند داشت. این مسئله منجر به تولید نوسانهای اضافی در اسیلاتور میشود که «اُوِرتون» (Overtone) نام دارد.
همچنین، اگر کریستال در طول دو صفحه موازی خود ضخامت موازی یا یکنواخت نداشته باشد، ممکن است دو یا چند فرکانس تشدید با فرکانس بنیادی داشته باشد که آن را هارمونیک مینامند. یعنی ممکن است اسیلاتور، هارمونیکهای دوم یا سوم داشته باشد.
به طور کلی، فرکانس نوسان بنیادی برای کریستال کوارتز، بسیار قویتر از فرکانس هارمونیکهای ثانویه آن است. بنابراین فرکانس کاری اسیلاتور کریستالی، همان فرکانس نوسان بنیادی آن است. همانطور که مشاهده شد، کریستالها یک مدار معادل دارند که شامل سه عنصر راکتیو یعنی دو خازن و یک سلف است. بنابراین دو فرکانس تشدید وجود دارد، فرکانس کمتر همان فرکانس تشدید سری و فرکانس تشدید بزرگتر، همان فرکانس تشدید موازی اسیلاتور است.
برای مطالعه کامل این مقاله بر روی لینک ادامه مطلب کلیک نمایید.
همچنین میتوانید برای مطالعه کامل مقالات مربوطه روی لینک مقالات مربوط کلیک نمایید.
برچسبها:
مولتی سوییچ,
اثر پیزو,
الکتریک,
انتن
