- Kristal Kuarsa dan Sirkuit Setara
- Impedansi Output Kristal terhadap Frekuensi
- Reaktansi Kristal terhadap Frekuensi
- Faktor Q untuk kristal Kuarsa:
- Contoh Quartz Crystal Oscillator dengan Perhitungan
- Osilator Kristal Colpitts
- Osilator Kristal Pierce
- Osilator CMOS
- Menyediakan Jam ke Mikroprosesor menggunakan Crystal
Dalam tutorial RC Phase Shift Oscillator dan Wein Bridge Oscillator kami sebelumnya, kami mendapatkan ide yang bagus tentang apa itu Osilator. Osilator adalah konstruksi mekanis atau elektronik yang menghasilkan osilasi bergantung pada beberapa variabel. Sebuah osilator baik yang tepat menghasilkan frekuensi yang stabil.
Dalam kasus Osilator RC (Resistor-Kapasitor) atau RLC (Resistor-Induktor-Kapasitor) Osilator, mereka bukanlah pilihan yang baik di mana osilasi yang stabil dan akurat diperlukan. Perubahan temperatur tersebut mempengaruhi beban dan jalur catu daya yang selanjutnya mempengaruhi kestabilan rangkaian Osilator. Stabilitas dapat ditingkatkan ke level tertentu dalam kasus RC dan sirkuit RLC, tetapi peningkatan tersebut tidak cukup untuk kasus tertentu.
Dalam situasi seperti itu, Kristal Kuarsa digunakan. Kuarsa adalah mineral yang tersusun dari atom silikon dan oksigen. Bereaksi ketika sumber tegangan diterapkan ke kristal kuarsa. Ini menghasilkan karakteristik, yang diidentifikasi sebagai efek piezo-listrik. Ketika sumber tegangan diterapkan di atasnya, itu akan berubah bentuk dan menghasilkan gaya mekanis, dan gaya mekanis kembali, dan menghasilkan muatan listrik.
Karena mengubah energi listrik menjadi mekanik dan mekanik menjadi listrik, ini disebut Transduser. Perubahan ini menghasilkan getaran yang sangat stabil, dan sebagai efek piezo-listrik menghasilkan osilasi yang stabil.
Kristal Kuarsa dan Sirkuit Setara
Ini adalah simbol Osilator Kristal. Kristal kuarsa terbuat dari potongan tipis wafer kuarsa yang dipasang erat dan dikontrol antara dua permukaan metalisasi paralel. Permukaan metalized dibuat untuk sambungan listrik, dan ukuran fisik kuarsa dan kepadatan juga ketebalannya dikontrol dengan ketat karena perubahan bentuk dan ukuran secara langsung berpengaruh pada frekuensi osilasi. Setelah dibentuk dan dikontrol, frekuensi yang dihasilkan ditetapkan, frekuensi fundamental tidak dapat diubah menjadi frekuensi lain. Frekuensi khusus untuk kristal tertentu ini disebut frekuensi karakteristik.
Pada gambar atas, sirkuit kiri mewakili sirkuit ekuivalen Kristal Kuarsa, ditunjukkan di sisi kanan. Seperti yang bisa kita lihat, 4 komponen pasif digunakan, dua kapasitor C1 dan C2 dan satu Induktor L1, Resistor R1. C1, L1, R1 dihubungkan secara seri dan C2 dihubungkan secara paralel.
Rangkaian seri yang terdiri dari satu kapasitor, satu resistor dan satu induktor, melambangkan perilaku terkontrol dan operasi stabil dari Crystal dan kapasitor paralel, C2 mewakili kapasitansi paralel dari rangkaian atau kristal ekivalen.
Pada frekuensi operasi, C1 beresonansi dengan induktansi L1. Frekuensi operasi ini disebut frekuensi deret kristal (fs). Karena frekuensi seri ini titik frekuensi sekunder dikenali dengan resonansi paralel. L1 dan C1 juga beresonansi dengan kapasitor paralel C2. Kapasitor paralel C2 sering digambarkan sebagai nama C0 dan disebut Kapasitansi Shunt dari Kristal Kuarsa.
Impedansi Output Kristal terhadap Frekuensi
Jika kita menerapkan rumus reaktansi pada dua kapasitor, maka, untuk kapasitor seri C1, reaktansi kapasitifnya adalah: -
X C1 = 1 / 2πfC 1
Dimana, F = Frekuensi dan C1 = nilai kapasitansi seri.
Rumus yang sama berlaku untuk kapasitor Paralel juga, reaktansi kapasitif dari kapasitor paralel adalah: -
X C2 = 1 / 2πfC 2
Jika kita melihat grafik hubungan antara Impedansi keluaran vs Frekuensi kita akan melihat perubahan impedansinya.
Pada gambar atas kita melihat kurva impedansi osilator kristal dan juga melihat bagaimana kemiringan ini berubah ketika frekuensi berubah. Ada dua titik satu adalah titik frekuensi resonansi seri dan yang lainnya adalah titik frekuensi resonansi paralel.
Pada titik frekuensi resonansi seri impedansi menjadi minimum. Kapasitor seri C1 dan induktor seri L1 membuat resonansi seri yang sama dengan resistor seri.
Jadi, pada titik frekuensi resonansi seri ini, hal-hal berikut akan terjadi: -
- Impedansi minimum dibandingkan dengan waktu frekuensi lainnya.
- Impedansi sama dengan resistor seri.
- Di bawah titik ini kristal bertindak sebagai bentuk kapasitif.
Selanjutnya frekuensi berubah dan kemiringan perlahan meningkat ke titik maksimum pada frekuensi resonansi paralel, pada saat ini, sebelum mencapai titik frekuensi resonansi paralel, kristal bertindak sebagai induktor seri.
Setelah mencapai titik frekuensi paralel kemiringan impedansi mencapai nilai maksimum. Kapasitor paralel C2 dan Induktor Seri membuat rangkaian tangki LC dan dengan demikian impedansi keluaran menjadi tinggi.
Ini adalah bagaimana kristal berperilaku sebagai induktor atau seperti kapasitor dalam resonansi seri dan paralel. Kristal dapat beroperasi di kedua frekuensi resonansi ini tetapi tidak pada saat yang bersamaan. Itu perlu disesuaikan dengan yang spesifik untuk beroperasi.
Reaktansi Kristal terhadap Frekuensi
The Seri Reaktansi dari sirkuit dapat diukur dengan menggunakan rumus ini: -
X S = R2 + (XL 1 - XC 1) 2
Dimana, R adalah nilai resistansi
Xl1 adalah induktansi seri dari rangkaian
Xc1 adalah kapasitansi seri dari rangkaian.
Reaktansi kapasitif paralel dari rangkaian akan menjadi: -
X CP = -1 / 2πfCp
Reaktansi paralel dari rangkaian adalah: -
Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp
Jika kita melihat grafiknya akan terlihat seperti ini: -
Seperti yang dapat kita lihat di grafik atas bahwa reaktansi seri pada titik resonansi seri berbanding terbalik dengan C1, pada titik dari fs ke fp kristal bertindak sebagai induktif karena pada titik ini, dua kapasitansi paralel menjadi dapat diabaikan.
Di sisi lain, kristal akan berada dalam bentuk kapasitif ketika frekuensi berada di luar titik fs dan fp.
Kita dapat menghitung Frekuensi Resonan Seri dan frekuensi Resonan Paralel menggunakan dua rumus ini -
Faktor Q untuk kristal Kuarsa:
Q adalah bentuk singkat dari Kualitas. Ini adalah aspek penting dari resonansi kristal kuarsa. Faktor Q ini menentukan stabilitas frekuensi Crystal. Secara umum, faktor Q kristal memiliki kisaran dari 20.000 hingga lebih dari 100.000. Kadang-kadang, faktor Q kristal lebih dari 200.000 juga dapat diamati.
Faktor Q kristal dapat dihitung menggunakan rumus berikut -
Q = X L / R = 2πfsL 1 / R
Dimana, X L adalah Reaktansi Induktor dan R adalah Resistansi.
Contoh Quartz Crystal Oscillator dengan Perhitungan
Kami akan menghitung frekuensi resonansi seri kristal kuarsa, frekuensi resonansi paralel dan faktor Kualitas kristal ketika poin-poin berikut tersedia-
R1 = 6,8R
C1 = 0,09970pF
L1 = 3mH
Dan C2 = 30pF
Frekuensi resonansi seri kristal adalah -
Frekuensi resonansi paralel kristal, fp adalah -
Sekarang, kita dapat memahami bahwa frekuensi resonansi seri adalah 9,20 MHz dan frekuensi resonansi paralel adalah 9,23 MHz
The faktor Q dari kristal ini akan menjadi-
Osilator Kristal Colpitts
Rangkaian osilator kristal dibangun dengan menggunakan transistor bipolar atau berbagai jenis FET. Pada gambar atas, osilator colpitts ditampilkan; yang pembagi tegangan kapasitif digunakan untuk umpan balik. Transistor Q1 memiliki konfigurasi emitor yang sama. Di rangkaian atas R1 dan R2 digunakan untuk bias transistor dan C1 digunakan sebagai kapasitor bypass yang melindungi basis dari kebisingan RF.
Pada konfigurasi ini, kristal akan bertindak sebagai shunt akibat sambungan dari kolektor ke ground . Ini dalam konfigurasi resonansi paralel. Kapasitor C2 dan C3 digunakan untuk umpan balik. Kristal Q2 dihubungkan sebagai rangkaian resonansi paralel.
Amplifikasi keluaran rendah dalam konfigurasi ini untuk menghindari disipasi daya berlebih pada kristal.
Osilator Kristal Pierce
Konfigurasi lain yang digunakan dalam osilator kristal kuarsa, di mana Transistor diubah menjadi JFET untuk amplifikasi di mana JFET berada dalam impedansi input yang sangat tinggi ketika kristal dihubungkan di Drain to Gate menggunakan kapasitor.
Pada gambar atas sirkuit Pierce Crystal Oscillator ditampilkan. C4 memberikan umpan balik yang diperlukan dalam rangkaian osilator ini. Umpan balik ini adalah umpan balik positif yaitu pergeseran fasa 180 derajat pada frekuensi resonansi. R3 mengontrol umpan balik dan kristal menyediakan osilasi yang diperlukan.
Osilator kristal penusuk membutuhkan jumlah komponen minimum dan karena itu ini adalah pilihan yang lebih disukai di mana ruang terbatas. Jam digital, timer, dan berbagai jenis jam tangan menggunakan rangkaian osilator kristal pierce. Nilai puncak ke puncak amplitudo gelombang sinus Output dibatasi oleh rentang tegangan JFET.
Osilator CMOS
Osilator dasar yang menggunakan konfigurasi kristal resonansi paralel dapat dibuat dengan menggunakan inverter CMOS. Inverter CMOS dapat digunakan untuk mencapai amplitudo yang dibutuhkan. Ini terdiri dari pemicu Schmitt pembalik seperti 4049, 40106 atau chip Transistor-Transistor logic (TTL) 74HC19 dll.
Pada gambar atas digunakan 74HC19N yang bertindak sebagai pemicu Schmitt dalam konfigurasi pembalik. Kristal akan memberikan osilasi yang diperlukan dalam frekuensi resonansi seri. R1 adalah resistor umpan balik untuk CMOS dan memberikan faktor Q tinggi dengan kemampuan penguatan tinggi. 74HC19N kedua adalah booster untuk memberikan output yang cukup untuk beban.
Inverter beroperasi pada keluaran pergeseran fasa 180 derajat dan Q1, C2, C1 menyediakan pergeseran fasa 180 derajat tambahan. Selama proses osilasi, pergeseran fasa selalu tetap 360 derajat.
Osilator kristal CMOS ini menghasilkan keluaran gelombang persegi. Frekuensi output maksimum ditetapkan oleh karakteristik switching dari inverter CMOS. Frekuensi keluaran dapat diubah menggunakan nilai Kapasitor dan nilai Resistor. C1 dan C2 harus memiliki nilai yang sama.
Menyediakan Jam ke Mikroprosesor menggunakan Crystal
Karena berbagai penggunaan osilator kristal kuarsa mencakup jam tangan Digital, Pengatur Waktu, dll., Ini juga merupakan pilihan yang sesuai untuk menyediakan jam osilasi yang stabil di seluruh mikroprosesor dan CPU.
Mikroprosesor dan CPU membutuhkan input jam yang stabil untuk pengoperasian. Kristal kuarsa banyak digunakan untuk keperluan ini. Kristal kuarsa memberikan akurasi dan stabilitas tinggi dibandingkan dengan osilator RC atau LC atau RLC lainnya.
Secara umum frekuensi clock yang digunakan untuk mikrokontroler atau CPU berkisar antara KHz hingga Mhz. Frekuensi clock ini menentukan seberapa cepat prosesor dapat memproses data.
Untuk mencapai frekuensi ini, kristal seri yang digunakan dengan dua jaringan kapasitor bernilai sama digunakan melintasi input osilator dari masing-masing MCU atau CPU.
Pada gambar ini, kita dapat melihat bahwa Crystal dengan dua kapasitor membentuk jaringan dan terhubung melintasi unit Mikrokontroler atau Central processing unit melalui pin input OSC1 dan OSC2. Umumnya semua mikrokontroler atau prosesor terdiri dari dua buah pin ini. Dalam beberapa kasus, ada dua jenis pin OSC yang tersedia. Satu untuk osilator primer untuk menghasilkan jam dan lainnya untuk osilator sekunder yang digunakan untuk pekerjaan sekunder lainnya di mana frekuensi jam sekunder diperlukan. Nilai kapasitor berkisar dari 10pF hingga 42 pF, apa pun di antaranya kecuali 15pF, 22pF, 33pF digunakan secara luas.