- 수정과 그 등가 회로
- 주파수에 대한 수정 출력 임피던스
- 주파수에 대한 크리스탈 리액턴스
- 석영 크리스탈의 Q 계수 :
- 계산 기능이있는 수정 수정 발진기 예
- Colpitts 수정 발진기
- 피어스 수정 발진기
- CMOS 발진기
- 크리스탈을 사용하여 마이크로 프로세서에 클록 제공
이전 RC 위상 편이 오실레이터 및 Wein Bridge 오실레이터 튜토리얼에서 오실레이터가 무엇인지에 대해 공정한 아이디어를 얻었습니다. 발진기는 몇 가지 변수에 따라 진동을 생성하는 기계 또는 전자 구조입니다. 적당한 좋은 발진기는 안정된 주파수를 생성한다.
RC (Resistor-Capacitor) 또는 RLC (Resistor-Inductor-Capacitor) 발진기의 경우 안정적이고 정확한 발진이 필요한 곳에 적합하지 않습니다. 온도 변화는 부하 및 전원 공급 라인에 영향을 미쳐 오실레이터 회로의 안정성에 영향을 미칩니다. RC 및 RLC 회로의 경우 안정성은 일정 수준까지 향상 될 수 있지만 특정 경우에는 여전히 개선이 충분하지 않습니다.
이러한 상황에서 Quartz Crystal 이 사용됩니다. 석영은 실리콘과 산소 원자로 구성된 광물입니다. 전압원이 수정에 적용될 때 반응합니다. 압전 효과 로 식별되는 특성을 생성합니다. 전압 소스가 전압 소스에 적용되면 모양이 바뀌고 기계적 힘이 생성되고 기계적 힘이 되돌아와 전하를 생성합니다.
마찬가지로 이 전기 기계적, 기계 전기적 에너지를 변환 할 것이으로 불린다 변환기. 이러한 변화는 매우 안정적인 진동을 생성하고 압전 효과로 안정적인 진동을 생성합니다.
수정과 그 등가 회로
이것은 Crystal Oscillator 의 상징입니다. 석영 크리스탈은 두 개의 평행 한 금속 표면 사이에 단단히 고정되고 제어되는 얇은 석영 웨이퍼 조각으로 만들어집니다. 금속 화 된 표면은 전기적 연결을 위해 만들어지며, 모양과 크기의 변화가 진동 주파수에 직접 영향을 미치기 때문에 석영의 물리적 크기와 밀도도 엄격하게 제어됩니다. 일단 그것이 형성되고 제어되면 생성 된 주파수는 고정되고 기본 주파수는 다른 주파수로 변경 될 수 없습니다. 특정 크리스탈에 대한이 특정 주파수를 특성 주파수 라고 합니다.
위 이미지에서 왼쪽 회로는 오른쪽에 표시된 Quartz Crystal의 등가 회로를 나타냅니다. 보시다시피 4 개의 수동 부품, 2 개의 커패시터 C1 및 C2와 1 개의 인덕터 L1, 저항 R1이 사용됩니다. C1, L1, R1은 직렬로 연결되고 C2는 병렬로 연결됩니다.
하나의 커패시터, 하나의 저항 및 하나의 인덕터로 구성된 직렬 회로는 Crystal과 병렬 커패시터의 제어 된 동작과 안정적인 작동을 상징하며 C2는 회로의 병렬 커패시턴스 또는 등가 크리스탈을 나타냅니다.
작동 주파수에서 C1은 인덕턴스 L1과 공명합니다. 이 작동 주파수를 크리스털 시리즈 주파수 (fs)라고합니다. 이 직렬 주파수로 인해 2 차 주파수 지점이 병렬 공진으로 인식됩니다. L1과 C1은 병렬 커패시터 C2 와도 공진합니다. 병렬 커패시터 C2는 종종 C0의 이름으로 설명되며 Quartz Crystal의 Shunt Capacitance 라고 합니다.
주파수에 대한 수정 출력 임피던스
두 커패시터에 리액턴스 공식을 적용 하면 직렬 커패시터 C1의 경우 용량 성 리액턴스 는 다음과 같습니다.
X C1 = 1 / 2πfC 1
어디, F = 주파수 및 C1 = 직렬 커패시턴스 값.
병렬 커패시터에도 동일한 공식이 적용되며 병렬 커패시터의 용량 성 리액턴스는 다음과 같습니다.
X C2 = 1 / 2πfC 2
출력 임피던스와 주파수 사이의 관계 그래프를 보면 임피던스의 변화를 볼 수 있습니다.
상단 이미지에서 수정 발진기의 임피던스 곡선을 볼 수 있으며 주파수가 변할 때이 기울기가 어떻게 변하는 지 확인할 수 있습니다. 하나는 직렬 공진 주파수 지점 이고 다른 하나는 병렬 공진 주파수 지점입니다.
상기 직렬 공진 주파수 지점 임피던스되었다되는 최소. 직렬 커패시터 C1과 직렬 인덕터 L1은 직렬 저항과 동일한 직렬 공진을 생성합니다.
따라서이 시리즈 공진 주파수 지점에서 다음과 같은 일이 발생합니다.
- 임피던스는 다른 주파수 시간에 비해 최소입니다.
- 임피던스는 직렬 저항과 같습니다.
- 이 지점 아래에서 크리스탈은 용량 성 형태로 작용합니다.
다음으로 주파수가 변경되고 기울기가 병렬 공진 주파수에서 최대 지점까지 서서히 증가합니다. 이때 병렬 공진 주파수 지점에 도달하기 전에 수정이 직렬 인덕터 역할을합니다.
병렬 주파수 지점에 도달 한 후 임피던스 기울기는 최대 값에 도달합니다. 병렬 커패시터 C2와 직렬 인덕터는 LC 탱크 회로를 생성하여 출력 임피던스가 높아졌습니다.
이것은 크리스탈이 직렬 및 병렬 공진에서 인덕터 또는 커패시터처럼 동작하는 방식입니다. 크리스탈은이 두 공진 주파수에서 작동 할 수 있지만 동시에 작동 할 수는 없습니다. 작동하려면 특정 항목에서 조정해야합니다.
주파수에 대한 크리스탈 리액턴스
회로 의 직렬 리액턴스는 다음 공식을 사용하여 측정 할 수 있습니다.
X S = R2 + (XL 1 – XC 1) 2
여기서 R은 저항 값입니다.
Xl1은 회로의 직렬 인덕턴스입니다.
Xc1은 회로의 직렬 커패시턴스입니다.
회로의 병렬 용량 성 리액턴스 는 다음과 같습니다.
X CP = -1 / 2πfCp
회로의 병렬 리액턴스는 다음과 같습니다.
Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp
그래프를 보면 다음과 같이 보일 것입니다.
위 그래프에서 볼 수 있듯이 직렬 공진 지점의 직렬 리액턴스는 C1에 반비례하며, fs 에서 fp 까지의 지점에서 크리스탈은 유도 성 역할을합니다.이 지점에서 두 개의 병렬 커패시턴스는 무시할 수 있기 때문 입니다.
반면에 크리스탈은 주파수가 fs 및 fp 포인트를 벗어날 때 용량 성 형태가됩니다.
다음 두 공식을 사용하여 직렬 공진 주파수와 병렬 공진 주파수를 계산할 수 있습니다.
석영 크리스탈의 Q 계수:
Q는 품질의 약식입니다. 수정 공명의 중요한 측면입니다. 이 Q 인자는 Crystal의 주파수 안정성을 결정합니다. 일반적으로 크리스탈의 Q 인자는 20,000에서 100,000 이상 범위를 갖습니다. 때로는 결정의 Q 계수가 200,000 이상인 경우도 관찰 할 수 있습니다.
결정의 Q 인자는 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
Q = X L / R = 2πfsL 1 / R
여기서 X L 은 인덕터 리액턴스이고 R은 저항 입니다.
계산 기능이있는 수정 수정 발진기 예
다음 사항을 사용할 수있는 경우 수정 결정 시리즈 공진 주파수, 병렬 공진 주파수 및 수정의 품질 계수를 계산합니다.
R1 = 6.8R
C1 = 0.09970pF
L1 = 3mH
그리고 C2 = 30pF
크리스탈의 직렬 공진 주파수 는 –
크리스탈의 병렬 공진 주파수, fp는 –
이제 직렬 공진 주파수가 9.20MHz 이고 병렬 공진 주파수가 9.23MHz 임을 이해할 수 있습니다.
이 결정의 Q 팩터 BE- 것
Colpitts 수정 발진기
바이폴라 트랜지스터 또는 다양한 유형의 FET를 사용하여 구성된 수정 발진기 회로. 상단 이미지에는 colpitts 발진기가 표시됩니다. 용량 성 전압 분할기가 사용되어 피드백. 트랜지스터 Q1은 공통 이미 터 구성입니다. 상부 회로에서 R1과 R2는 트랜지스터의 바이어스에 사용되며 C1은 RF 노이즈로부터베이스를 보호하는 바이 패스 커패시터로 사용됩니다.
이 구성에서 크리스탈은 컬렉터에서 접지로의 연결로 인해 션트 역할을합니다 . 병렬 공진 구성입니다. 커패시터 C2 및 C3은 피드백에 사용됩니다. 크리스탈 Q2는 병렬 공진 회로로 연결됩니다.
이 구성에서는 크리스털에서 과도한 전력 손실을 방지하기 위해 출력 증폭이 낮습니다.
피어스 수정 발진기
수정 발진기에 사용되는 또 다른 구성으로, 트랜지스터가 커패시터를 사용하여 수정이 드레인에서 게이트로 연결될 때 JFET 가 매우 높은 입력 임피던스 에있는 증폭 을 위해 JFET 로 변경됩니다.
상단 이미지에는 Pierce Crystal Oscillator 회로가 표시됩니다. C4는이 발진기 회로에서 필요한 피드백을 제공합니다. 이 피드백은 공진 주파수에서 180도 위상 편이 인 포지티브 피드백입니다. R3은 피드백을 제어하고 크리스탈은 필요한 진동을 제공합니다.
피어스 수정 발진기는 최소한의 부품 수를 필요로하므로 공간이 제한된 곳에서 선호하는 선택입니다. 디지털 시계, 타이머 및 다양한 유형의 시계는 피어스 수정 발진기 회로를 사용 합니다. 출력 사인파 진폭 피크 대 피크 값은 JFET 전압 범위에 의해 제한됩니다.
CMOS 발진기
CMOS 인버터를 사용하여 병렬 공진 크리스털 구성을 사용하는 기본 발진기를 만들 수 있습니다. CMOS 인버터를 사용하여 필요한 진폭을 얻을 수 있습니다. 4049, 40106 또는 TTL (Transistor-Transistor logic) 칩 74HC19 등과 같은 반전 슈미트 트리거로 구성됩니다.
상단 이미지 74HC19N 은 반전 구성에서 슈미트 트리거로 작동하는 것을 사용했습니다. 크리스탈은 직렬 공진 주파수에서 필요한 진동을 제공합니다. R1은 CMOS 용 피드백 저항이며 높은 이득 기능과 함께 높은 Q 팩터를 제공합니다. 두 번째 74HC19N은 부하에 충분한 출력을 제공하는 부스터입니다.
인버터는 180도 위상 편이 출력에서 작동하고 Q1, C2, C1은 추가 180도 위상 편이를 제공합니다. 진동 프로세스 동안 위상 편이는 항상 360도를 유지합니다.
이 CMOS 수정 발진기는 구형파 출력을 제공합니다. 최대 출력 주파수는 CMOS 인버터의 스위칭 특성에 의해 고정됩니다. 출력 주파수는 Capacitors 값과 Resistor 값을 사용하여 변경할 수 있습니다. C1과 C2는 값이 동일해야합니다.
크리스탈을 사용하여 마이크로 프로세서에 클록 제공
수정 발진기의 다양한 용도에는 디지털 시계, 타이머 등이 포함되므로 마이크로 프로세서 및 CPU 전반에 걸쳐 안정적인 발진 클럭을 제공하는데도 적합합니다.
마이크로 프로세서와 CPU는 안정적인 클럭 입력이 필요합니다. 석영 크리스탈은 이러한 목적으로 널리 사용됩니다. 석영 크리스탈은 다른 RC 또는 LC 또는 RLC 발진기에 비해 높은 정확도와 안정성을 제공합니다.
일반적으로 클럭 주파수는 마이크로 컨트롤러에 사용되거나 CPU는 KHz에서 Mhz 범위입니다. 이 클럭 주파수는 프로세서가 데이터를 처리 할 수있는 속도를 결정합니다.
이 주파수를 달성하기 위해 두 개의 동일한 값 커패시터 네트워크와 함께 사용되는 직렬 크리스탈이 각 MCU 또는 CPU의 오실레이터 입력에 사용됩니다.
이 이미지에서 커패시터가 2 개인 크리스탈이 네트워크를 형성하고 OSC1 및 OSC2 입력 핀을 통해 마이크로 컨트롤러 장치 또는 중앙 처리 장치에 연결되어 있음을 알 수 있습니다. 일반적으로 모든 마이크로 컨트롤러 또는 프로세서는이 2 개의 핀으로 구성됩니다. 어떤 경우에는 두 가지 유형의 OSC 핀을 사용할 수 있습니다. 하나는 클럭 생성을위한 1 차 발진기 용이고 다른 하나는 2 차 클럭 주파수가 필요한 다른 2 차 작업에 사용되는 2 차 발진기 용입니다. 커패시터 값 범위는 10pF ~ 42pF이며 15pF, 22pF, 33pF를 제외한 모든 것이 널리 사용됩니다.