Osilator Kristal Kuarsa
Salah satu fitur terpenting dari Osilator dari jenis apa pun adalah stabilitas frekuensinya, atau dengan kata lain kemampuannya untuk memberikan output frekuensi yang konstan dalam berbagai kondisi beban. Beberapa faktor yang mempengaruhi stabilitas frekuensi osilator umumnya meliputi: variasi suhu, variasi beban, serta perubahan tegangan power supply DC-nya.
Stabilitas frekuensi dari sinyal output dapat sangat ditingkatkan dengan pemilihan komponen yang tepat yang digunakan untuk rangkaian umpan balik resonansi, termasuk penguat (amplifier). Tetapi ada batas stabilitas yang dapat diperoleh dari rangkaian LC normal dan rangkaian RC.
Untuk memperoleh tingkat stabilitas osilator yang sangat tinggi, Kristal Kuarsa umumnya digunakan sebagai perangkat penentu frekuensi untuk menghasilkan jenis rangkaian osilator lain yang dikenal secara umum sebagai Osilator Kristal Kuarsa, (XO).
Ketika sumber tegangan diterapkan pada sepotong kecil tipis kristal kuarsa, itu mulai berubah bentuk menghasilkan karakteristik yang dikenal sebagai Efek Piezoelektrik. Efek Piezoelektrik ini adalah properti kristal dimana muatan listrik menghasilkan gaya mekanik dengan mengubah bentuk kristal dan sebaliknya, gaya mekanik yang diterapkan pada kristal menghasilkan muatan listrik.
Kemudian, perangkat Piezoelektrik dapat digolongkan sebagai Transduser karena mereka mengubah energi dari satu jenis menjadi energi yang lain (listrik ke mekanik atau mekanik ke listrik). Efek piezoelektrik ini menghasilkan getaran mekanis atau osilasi yang dapat digunakan untuk mengganti Rangkaian LC standar pada osilator sebelumnya.
Ada banyak jenis zat kristal yang dapat digunakan sebagai osilator dengan yang paling penting untuk rangkaian elektronik adalah mineral kuarsa, sebagian karena kekuatan mekaniknya yang lebih besar.
Kristal kuarsa yang digunakan dalam Osilator Kristal Kuarsa adalah sepotong sangat kecil, tipis atau wafer kuarsa potong dengan dua permukaan paralel yang dilapisi logam untuk membuat sambungan listrik yang diperlukan. Ukuran fisik dan ketebalan sepotong kristal kuarsa dikontrol dengan ketat karena mempengaruhi frekuensi osilasi akhir atau mendasar. Frekuensi dasar umumnya disebut kristal "frekuensi karakteristik".
Setelah dipotong dan dibentuk, kristal tidak dapat digunakan pada frekuensi lainnya. Dengan kata lain, ukuran dan bentuknya menentukan frekuensi osilasi dasar atau fundamentalnya.
Karakteristik kristal atau frekuensi karakteristik berbanding terbalik dengan ketebalan fisiknya antara kedua permukaan yang dilapisi logam. Kristal yang bergetar secara mekanis dapat diwakili oleh rangkaian listrik ekuivalen yang terdiri dari resistansi rendah R, induktansi besar L dan kapasitansi kecil C seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Rangkaian listrik ekuivalen untuk kristal kuarsa menunjukkan Rangkaian RLC Seri, yang mewakili getaran mekanis kristal, secara paralel dengan kapasitansi, Cp yang mewakili koneksi listrik ke kristal. Osilator kristal kuarsa cenderung beroperasi ke arah "Resonansi Seri" mereka.
Impedansi ekuivalen dari kristal memiliki Resonansi seri di mana Cs beresonansi dengan induktansi, Ls pada frekuensi operasi kristal. Frekuensi ini disebut frekuensi seri kristal, ƒs. Selain frekuensi seri ini, ada titik frekuensi kedua yang dibuat sebagai hasil dari resonansi paralel yang dibuat ketika Ls dan Cs beresonansi dengan kapasitor paralel Cp seperti yang ditunjukkan.
Kemiringan impedansi kristal di atas menunjukkan bahwa seiring meningkatnya frekuensi di terminalnya. Pada frekuensi tertentu, interaksi antara kapasitor seri Cs dan induktor Ls menciptakan rangkaian resonansi seri yang mengurangi impedansi kristal hingga minimum dan sama dengan Rs. Titik frekuensi ini disebut frekuensi kristal resonansi seri ƒs dan di bawah ƒs kristal adalah kapasitif.
Ketika frekuensi meningkat di atas titik resonansi seri ini, kristal berperilaku seperti induktor sampai frekuensi mencapai frekuensi resonansi paralelnya ƒp. Pada titik frekuensi ini interaksi antara induktor seri, Ls dan kapasitor paralel, Cp membuat rangkaian LC yang disetel paralel dan dengan demikian impedansi melintasi kristal mencapai nilai maksimumnya.
Kemudian kita dapat melihat bahwa kristal kuarsa adalah kombinasi rangkaian resonansi yang disetel seri dan paralel, berosilasi pada dua frekuensi yang berbeda dengan perbedaan yang sangat kecil antara keduanya tergantung pada potongan kristal.
Juga, karena kristal dapat beroperasi pada frekuensi resonansi seri atau paralelnya, rangkaian osilator kristal perlu disetel ke satu atau frekuensi lainnya karena Anda tidak dapat menggunakan keduanya secara bersamaan.
Jadi tergantung pada karakteristik rangkaian, kristal kuarsa dapat bertindak baik sebagai Induktor (L), Kapasitor (C), rangkaian resonansi seri atau sebagai rangkaian resonansi paralel dan untuk menunjukkan hal ini dengan lebih jelas, kita juga dapat merencanakan reaktansi kristal terhadap frekuensi seperti yang ditunjukkan.
Kemiringan reaktansi terhadap frekuensi di atas, menunjukkan bahwa reaktansi seri pada frekuensi proposional berbanding terbalik dengan Cs karena di bawah ƒs dan di atas ƒp kristal nampak kapasitif. Antara frekuensi ƒs dan ƒp, kristal muncul induktif ketika dua kapasitansi paralel dibatalkan.
Kemudian rumus untuk frekuensi resonansi seri kristal, ƒs diberikan sebagai:
Frekuensi Resonansi Seri
Frekuensi resonansi paralel, ƒp terjadi ketika reaktansi kaki seri LC sama dengan reaktansi kapasitor paralel, Cp dan diberikan sebagai:
Frekuensi Resonansi Paralel
Frekuensi resonansi seri kristal, ƒS
Frekuensi resonansi paralel kristal, ƒP
Kita dapat melihat bahwa perbedaan antara ƒs, frekuensi dasar kristal, dan ƒp kecil pada sekitar 18kHz (10.005MHz - 9.987MHz). Namun selama rentang frekuensi ini, faktor-Q (Faktor Kualitas) kristal sangat tinggi karena induktansi kristal jauh lebih tinggi daripada nilai kapasitif atau resistifnya. Faktor-Q kristal kami pada frekuensi resonansi seri diberikan sebagai:
Frekuensi osilasi paralel kristal kuarsa diberikan sebagai:
Maka frekuensi osilasi untuk kristal kuarsa akan berada di antara 411kHz dan 412kHz.
Stabilitas frekuensi dari sinyal output dapat sangat ditingkatkan dengan pemilihan komponen yang tepat yang digunakan untuk rangkaian umpan balik resonansi, termasuk penguat (amplifier). Tetapi ada batas stabilitas yang dapat diperoleh dari rangkaian LC normal dan rangkaian RC.
Untuk memperoleh tingkat stabilitas osilator yang sangat tinggi, Kristal Kuarsa umumnya digunakan sebagai perangkat penentu frekuensi untuk menghasilkan jenis rangkaian osilator lain yang dikenal secara umum sebagai Osilator Kristal Kuarsa, (XO).
Kemudian, perangkat Piezoelektrik dapat digolongkan sebagai Transduser karena mereka mengubah energi dari satu jenis menjadi energi yang lain (listrik ke mekanik atau mekanik ke listrik). Efek piezoelektrik ini menghasilkan getaran mekanis atau osilasi yang dapat digunakan untuk mengganti Rangkaian LC standar pada osilator sebelumnya.
Ada banyak jenis zat kristal yang dapat digunakan sebagai osilator dengan yang paling penting untuk rangkaian elektronik adalah mineral kuarsa, sebagian karena kekuatan mekaniknya yang lebih besar.
Kristal kuarsa yang digunakan dalam Osilator Kristal Kuarsa adalah sepotong sangat kecil, tipis atau wafer kuarsa potong dengan dua permukaan paralel yang dilapisi logam untuk membuat sambungan listrik yang diperlukan. Ukuran fisik dan ketebalan sepotong kristal kuarsa dikontrol dengan ketat karena mempengaruhi frekuensi osilasi akhir atau mendasar. Frekuensi dasar umumnya disebut kristal "frekuensi karakteristik".
Setelah dipotong dan dibentuk, kristal tidak dapat digunakan pada frekuensi lainnya. Dengan kata lain, ukuran dan bentuknya menentukan frekuensi osilasi dasar atau fundamentalnya.
Karakteristik kristal atau frekuensi karakteristik berbanding terbalik dengan ketebalan fisiknya antara kedua permukaan yang dilapisi logam. Kristal yang bergetar secara mekanis dapat diwakili oleh rangkaian listrik ekuivalen yang terdiri dari resistansi rendah R, induktansi besar L dan kapasitansi kecil C seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Model Kristal Kuarsa Setara (ekuivalen)
Rangkaian listrik ekuivalen untuk kristal kuarsa menunjukkan Rangkaian RLC Seri, yang mewakili getaran mekanis kristal, secara paralel dengan kapasitansi, Cp yang mewakili koneksi listrik ke kristal. Osilator kristal kuarsa cenderung beroperasi ke arah "Resonansi Seri" mereka.
Impedansi ekuivalen dari kristal memiliki Resonansi seri di mana Cs beresonansi dengan induktansi, Ls pada frekuensi operasi kristal. Frekuensi ini disebut frekuensi seri kristal, ƒs. Selain frekuensi seri ini, ada titik frekuensi kedua yang dibuat sebagai hasil dari resonansi paralel yang dibuat ketika Ls dan Cs beresonansi dengan kapasitor paralel Cp seperti yang ditunjukkan.
Impedansi Kristal terhadap Frekuensi
Ketika frekuensi meningkat di atas titik resonansi seri ini, kristal berperilaku seperti induktor sampai frekuensi mencapai frekuensi resonansi paralelnya ƒp. Pada titik frekuensi ini interaksi antara induktor seri, Ls dan kapasitor paralel, Cp membuat rangkaian LC yang disetel paralel dan dengan demikian impedansi melintasi kristal mencapai nilai maksimumnya.
Kemudian kita dapat melihat bahwa kristal kuarsa adalah kombinasi rangkaian resonansi yang disetel seri dan paralel, berosilasi pada dua frekuensi yang berbeda dengan perbedaan yang sangat kecil antara keduanya tergantung pada potongan kristal.
Juga, karena kristal dapat beroperasi pada frekuensi resonansi seri atau paralelnya, rangkaian osilator kristal perlu disetel ke satu atau frekuensi lainnya karena Anda tidak dapat menggunakan keduanya secara bersamaan.
Jadi tergantung pada karakteristik rangkaian, kristal kuarsa dapat bertindak baik sebagai Induktor (L), Kapasitor (C), rangkaian resonansi seri atau sebagai rangkaian resonansi paralel dan untuk menunjukkan hal ini dengan lebih jelas, kita juga dapat merencanakan reaktansi kristal terhadap frekuensi seperti yang ditunjukkan.
Reaktansi Kristal terhadap Frekuensi
Kemiringan reaktansi terhadap frekuensi di atas, menunjukkan bahwa reaktansi seri pada frekuensi proposional berbanding terbalik dengan Cs karena di bawah ƒs dan di atas ƒp kristal nampak kapasitif. Antara frekuensi ƒs dan ƒp, kristal muncul induktif ketika dua kapasitansi paralel dibatalkan.
Kemudian rumus untuk frekuensi resonansi seri kristal, ƒs diberikan sebagai:
Frekuensi Resonansi Seri
Frekuensi resonansi paralel, ƒp terjadi ketika reaktansi kaki seri LC sama dengan reaktansi kapasitor paralel, Cp dan diberikan sebagai:
Frekuensi Resonansi Paralel
Contoh: Osilator Kristal kuarsa No.1
Kristal kuarsa memiliki nilai berikut: Rs = 6.4Ω, Cs = 0.09972pF dan Ls = 2.546mH. Jika kapasitansi melintasi terminalnya, Cp diukur pada 28.68pF, Hitung frekuensi osilasi dasar kristal dan frekuensi resonansi sekundernya.Frekuensi resonansi seri kristal, ƒS
Osilator Kristal Faktor-Q
Maka faktor-Q dari contoh kristal kita, sekitar 25.000, adalah karena rasio XL/R yang tinggi ini. Faktor-Q dari sebagian besar kristal adalah di area 20.000 hingga 200.000 dibandingkan dengan Rangkaian LC yang baik yang kami lihat sebelumnya yang akan jauh lebih sedikit dari 1.000. Nilai faktor-Q yang tinggi ini juga berkontribusi terhadap stabilitas frekuensi kristal yang lebih besar pada frekuensi operasinya sehingga ideal untuk membangun rangkaian osilator kristal.
Jadi kita telah melihat bahwa kristal kuarsa memiliki frekuensi resonansi yang serupa dengan rangkaian LC yang disetel secara elektrik tetapi dengan faktor Q yang jauh lebih tinggi. Hal ini terutama disebabkan oleh resistansi seri yang rendah, Rs. Akibatnya, kristal kuarsa membuat pilihan komponen yang sangat baik untuk digunakan dalam osilator terutama osilator frekuensi sangat tinggi.
Osilator kristal umumnya dapat berkisar dalam frekuensi osilasi dari sekitar 40kHz hingga lebih dari 100MHz tergantung pada konfigurasi rangkaiannya dan perangkat penguat yang digunakan. Potongan kristal juga menentukan bagaimana ia akan berperilaku karena beberapa kristal akan bergetar pada lebih dari satu frekuensi, menghasilkan osilasi tambahan yang disebut Harmonik.
Juga, jika kristal bukan dari paralel atau ketebalan yang seragam, ia mungkin memiliki dua atau lebih frekuensi resonansi baik dengan frekuensi dasar yang menghasilkan apa yang disebut dan harmonik, seperti harmonik kedua atau ketiga.
Umumnya meskipun frekuensi osilasi dasar untuk kristal kuarsa jauh lebih kuat atau lebih nyata daripada dan harmonik sekunder di sekitarnya sehingga ini akan menjadi yang digunakan. Kita telah melihat dalam grafik di atas bahwa rangkaian eukivalen kristal memiliki tiga komponen reaktif, dua kapasitor plus sebuah induktor sehingga ada dua frekuensi resonansi, yang terendah adalah frekuensi resonansi seri dan yang tertinggi adalah frekuensi resonansi paralel.
Kita telah melihat dalam tutorial sebelumnya, bahwa rangkaian penguat (amplifier) akan berosilasi jika memiliki loop gain yang lebih besar atau sama dengan satu dan umpan baliknya positif. Dalam rangkaian Osilator Kristal Kuarsa, osilator akan berosilasi pada frekuensi resonansi paralel kristal dasar karena kristal selalu ingin berosilasi ketika sumber tegangan diterapkan.
Namun, juga dimungkinkan untuk "menyetel" osilator kristal ke harmonik genap dari frekuensi dasar, (2, 4, 8 dll.) Dan ini umumnya dikenal sebagai Osilator Harmonik sementara Osilator Overtone bergetar pada kelipatan ganjil frekuensi dasar, 3, 5, 11 dll). Umumnya, osilator kristal yang beroperasi pada frekuensi nada-tinggi menggunakan frekuensi resonansi seri mereka.
Kristal Kuarsa Osilator Colpitts
Rangkaian osilator kristal umumnya dibangun menggunakan transistor bipolar atau FET. Ini karena meskipun penguat operasional (Op-amp) dapat digunakan di banyak rangkaian osilator frekuensi rendah (≤100kHz) yang berbeda, Op-amp tidak memiliki bandwidth untuk beroperasi dengan sukses pada frekuensi yang lebih tinggi yang cocok untuk kristal di atas 1MHz.
Desain Osilator Kristal sangat mirip dengan desain Osilator Colpitts yang kami lihat dalam tutorial sebelumnya, kecuali bahwa rangkaian LC yang memberikan osilasi umpan balik telah diganti oleh kristal kuarsa seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Kristal Osilator Colpitts
Jenis Osilator Kristal yang dirancang di sekitar penguat common-emitter (emitter-follower). R1 dan R2 jaringan resistor menetapkan tingkat DC bias tentang Base sementara emitter resistor RE menetapkan tingkat tegangan output. Resistor R2 diatur sebesar mungkin untuk mencegah pemuatan ke kristal yang terhubung paralel.
Transistor, 2N4265 adalah transistor NPN umum yang terhubung dalam konfigurasi common collector dan mampu beroperasi pada kecepatan switching lebih dari 100Mhz, jauh di atas frekuensi dasar kristal yang dapat antara 1MHz dan 5MHz.
Diagram rangkaian di atas dari rangkaian Kristal Osilator Colpitts menunjukkan bahwa kapasitor, C1 dan C2 mengeluarkan output dari transistor yang mengurangi sinyal umpan balik. Oleh karena itu, gain dari transistor membatasi nilai maksimum C1 dan C2. Amplitudo output harus dijaga tetap rendah untuk menghindari disipasi daya yang berlebihan pada kristal jika tidak dapat menghancurkan dirinya sendiri dengan getaran yang berlebihan.
Osilator Pierce
Desain umum lain dari osilator kristal kuarsa adalah Osilator Pierce. Osilator Pierce sangat mirip dalam desain dengan osilator Colpitts sebelumnya dan sangat cocok untuk menerapkan rangkaian osilator kristal menggunakan kristal sebagai bagian dari rangkaian umpan baliknya.
Osilator Pierce pada dasarnya adalah rangkaian resonan seri yang disetel (tidak seperti rangkaian resonansi paralel osilator Colpitts) yang menggunakan JFET untuk perangkat penguatan utamanya karena FET menyediakan impedansi input yang sangat tinggi dengan kristal yang terhubung antara Drain dan Gerbang melalui kapasitor C1 sebagai ditunjukkan di bawah ini.
Kristal Osilator Pierce
Dalam rangkaian sederhana ini, kristal menentukan frekuensi osilasi dan beroperasi pada seri frekuensi resonan, ƒs memberikan jalan impedansi rendah antara output dan input. Ada 180° pergeseran fasa pada resonansi, membuat umpan balik positif. Amplitudo gelombang sinus output terbatas pada kisaran tegangan maksimum di terminal Drain.
Resistor, R1 mengontrol jumlah umpan balik dan penggerak kristal sementara tegangan melintasi Radio Frekuensi Choke, RFC terbalik selama setiap siklus. Sebagian besar jam digital, arloji dan timer menggunakan Osilator Pierce dalam beberapa bentuk atau lainnya karena dapat diimplementasikan menggunakan komponen minimum.
Selain menggunakan Transistor dan FET, kita juga dapat membuat osilator kristal resonansi-paralel dasar sederhana yang serupa dalam operasi dengan osilator Pierce dengan menggunakan inverter CMOS sebagai elemen gain.
Osilator kristal kuarsa dasar terdiri dari gerbang logika pemicu Schmitt inverting tunggal seperti TTL 74HC19 atau CMOS 40106, 4049 jenis, kristal induktif dan dua kapasitor. Dua kapasitor ini menentukan nilai kapasitansi beban kristal. Resistor seri membantu membatasi arus drive di kristal dan juga mengisolasi output inverter dari impedansi kompleks yang dibentuk oleh jaringan kapasitor-kristal.
CMOS Osilator Kristal
Kristal berosilasi pada frekuensi resonansi seri. CMOS inverter awalnya bias ke tengah wilayah operasinya oleh resistor umpan balik, R1. Ini memastikan bahwa titik-Q dari inverter berada dalam wilayah dengan gain tinggi. Di sini resistor nilai 1MΩ digunakan, tetapi nilainya tidak kritis selama lebih dari 1MΩ. Inverter tambahan digunakan untuk menyangga output dari osilator ke beban yang terhubung.
Inverter menyediakan 180° pergeseran fasa dan jaringan kapasitor kristal 180° tambahan yang diperlukan untuk osilasi. Keuntungan dari osilator kristal CMOS adalah bahwa ia akan selalu secara otomatis menyesuaikan diri untuk mempertahankan pergeseran fasa 360° untuk osilasi.
Berbeda dengan osilator kristal berbasis transistor sebelumnya yang menghasilkan bentuk gelombang output sinusoidal, karena osilator Inverter CMOS menggunakan gerbang logika digital, outputnya adalah gelombang persegi yang berosilasi antara TINGGI dan RENDAH. Tentu, frekuensi operasi maksimum tergantung pada karakteristik switching gerbang logika yang digunakan.
Kristal Kuarsa Clock Mikroprosesor
Kami tidak dapat menyelesaikan tutorial Kristal Kuarsa Osilator tanpa menyebutkan sesuatu tentang kristal clock Microprocessor. Hampir semua mikroprosesor, pengontrol mikro, PIC, dan CPU umumnya beroperasi menggunakan Osilator Kristal Kuarsa sebagai perangkat penentu frekuensinya untuk menghasilkan bentuk gelombang clock mereka karena seperti yang telah kita ketahui, osilator kristal memberikan akurasi dan stabilitas frekuensi tertinggi dibandingkan dengan resistor-kapasitor, (RC) atau osilator induktor-kapasitor, (LC).
Clock CPU menentukan seberapa cepat prosesor dapat berjalan dan memproses data dengan mikroprosesor, PIC, atau mikrokontroler yang memiliki kecepatan clock 1MHz berarti dapat memproses data secara internal satu juta kali per detik pada setiap siklus clock. Secara umum semua yang diperlukan untuk menghasilkan bentuk gelombang clock mikroprosesor adalah kristal dan dua kapasitor keramik dengan nilai berkisar antara 15 hingga 33pF seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Osilator Kristal Kuarsa Mikroprosesor
Sebagian besar mikroprosesor, microcontroller, dan PIC memiliki dua pin osilator berlabel OSC1 dan OSC2 untuk terhubung ke rangkaian kristal kuarsa eksternal, osilator jaringan RC standar, atau bahkan resonator keramik.
Dalam jenis aplikasi mikroprosesor ini, Osilator Kuarsa Kristal menghasilkan rangkaian pulsa gelombang kontinu yang frekuensi dasarnya dikendalikan oleh kristal itu sendiri. Frekuensi mendasar ini mengatur aliran instruksi yang mengontrol perangkat prosesor. Misalnya, master clock dan waktu sistem.
Contoh: Osilator Kristal kuarsa No.2
Kristal kuarsa memiliki nilai berikut setelah dipotong, Rs = 1kΩ, Cs = 0,05pF, Ls = 3H dan Cp = 10pF. Hitung frekuensi osilasi seri kristal dan paralel.
Frekuensi osilasi seri kristal kuarsa diberikan sebagai: