Penjelasan Osilator Kristal Kuarsa

Dalam tutorial Osilator Pergeseran Fase RC dan Osilator Jembatan Wein sebelumnya, kita mendapatkan ide yang adil tentang apa itu Osilator.  

Osilator adalah konstruksi mekanis atau elektronik yang menghasilkan osilasi tergantung pada beberapa variabel. Osilator yang baik menghasilkan frekuensi yang stabil.

Penjelasan Osilator Kristal Kuarsa

Dalam kasus Osilator RC (Resistor-Kapasitor) atau RLC (Resistor-Induktor-Kapasitor) Osilator, mereka bukan pilihan yang baik di mana diperlukan osilasi yang stabil dan akurat. 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 dalam kasus tertentu, Penjelasan Hukum Rangkaian Kirchhoff Serta Penerapannya

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 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-elektrik menghasilkan osilasi yang stabil.

Kristal Kuarsa dan Sirkuit Setara

Ini adalah simbol Osilator Kristal. Kristal kuarsa terbuat dari potongan tipis kuarsa yang dipasang erat dan dikontrol di antara dua permukaan metalisasi paralel.  

Penjelasan Osilator Kristal Kuarsa

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 dikendalikan, frekuensi yang dihasilkan ditetapkan, frekuensi dasar tidak dapat diubah menjadi frekuensi lain. Frekuensi khusus untuk kristal tertentu ini disebut frekuensi karakteristik.

Penjelasan Osilator Kristal Kuarsa

Pada gambar atas, sirkuit kiri mewakili sirkuit ekuivalen Kristal Kuarsa, yang 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 ekuivalen.

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: -

XC1 = 1 / 2πfC1

Dimana,

F = Frekuensi dan C1 = nilai kapasitansi seri.

Rumus yang sama berlaku untuk kapasitor Paralel juga, reaktansi kapasitif dari kapasitor paralel adalah: -

XC2 = 1 / 2πfC2

Dimana,

F = Frekuensi dan C2 = nilai kapasitansi paralel.

Dalam hal menghitung impedansi seri dan impedansi paralel, rumusnya adalah: -

Penjelasan Osilator Kristal Kuarsa

Jika kita melihat grafik hubungan antara Impedansi keluaran vs Frekuensi kita akan melihat perubahan impedansinya.

Penjelasan Osilator Kristal Kuarsa

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.

Beginilah kristal berperilaku sebagai induktor atau seperti kapasitor dalam resonansi seri dan paralel.  

Kristal dapat beroperasi pada kedua frekuensi resonansi ini tetapi tidak pada saat yang bersamaan. Itu perlu disesuaikan dengan yang spesifik untuk beroperasi.

Reaktansi Kristal terhadap Frekuensi

Reaktansi rangkaian rangkaian dapat diukur menggunakan rumus ini: -

XS = R2 + (XL1 - XC1) 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:

XCP = -1 / 2πfCp

Reaktansi paralel dari rangkaian adalah: -

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

Jika kita melihat grafiknya akan terlihat seperti ini: -

Penjelasan Osilator Kristal Kuarsa

Seperti yang dapat kita lihat pada 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 -

Penjelasan Osilator Kristal Kuarsa

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 = XL / R = 2πfsL1 / R

Dimana, XL adalah Reaktansi Induktor dan R adalah Resistansi.

Osilator Kristal Colpitts

Rangkaian osilator kristal dibangun dengan menggunakan transistor bipolar atau berbagai jenis FET.  

Pada gambar atas, osilator colpitts ditampilkan; pembagi tegangan kapasitif digunakan untuk umpan balik. Transistor Q1 memiliki konfigurasi emitor yang sama.  

Penjelasan Osilator Kristal Kuarsa

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. Itu 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.

Penjelasan Osilator Kristal Kuarsa

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.

Penjelasan Osilator Kristal Kuarsa

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 Kristal

Karena berbagai penggunaan osilator kristal kuarsa termasuk 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.

Penjelasan Osilator Kristal Kuarsa

Pada gambar ini, kita dapat melihat bahwa Kristal dengan dua kapasitor membentuk jaringan dan terhubung melintasi unit Mikrokontroler atau unit pengolah Pusat 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.

0 Response to "Penjelasan Osilator Kristal Kuarsa"

Post a Comment

Iklan Atas Artikel

Iklan Tengah Artikel 1

Iklan Tengah Artikel 2

Iklan Bawah Artikel