석영 수정 발진기

모든 발진기의 가장 중요한 특징 중 하나는  주파수 안정성 , 즉 다양한 부하 조건에서 일정한 주파수 출력을 제공하는 능력입니다.

Quatz 수정 발진기는 발진기의 주파수 안정성에 영향을 미치는 몇 가지 요인을 극복합니다. 여기에는 일반적으로 온도 변화, 부하 변화, DC 전원 공급 장치 전압 변화 등이 포함됩니다.

증폭기를 포함하여 공진 피드백 회로에 사용되는 구성 요소를 적절하게 선택하면 출력 신호의 주파수 안정성이 크게 향상될 수 있습니다. 그러나 일반적인 LC, RC 탱크 회로에서 얻을 수 있는 안정성에는 한계가 있습니다.

매우 높은 수준의 발진기 안정성을 얻기 위해  일반적으로 Quartz Crystal은 일반적으로 Quartz Crystal Oscillator (XO)  로 알려진 다른 유형의 발진기 회로를 생성하는 주파수 결정 장치로 사용됩니다  .

작고 얇은 수정 조각에 전압원이 가해지면 모양이 바뀌기 시작하여 압전  효과 라고 알려진 특성을 생성합니다 . 이 압전 효과는 전하가 결정의 모양을 변화시켜 기계적 힘을 생성하고, 반대로 결정에 가해진 기계적 힘이 전하를 생성하는 결정의 특성입니다.

그런 다음 압전 장치는 한 종류의 에너지를 다른 종류의 에너지(전기에서 기계로 또는 기계에서 전기로)로 변환하므로 변환기로 분류될 수 있습니다. 이 압전 효과는   이전 발진기의 표준 LC 탱크 회로를 대체하는 데 사용할 수 있는 기계적 진동 또는 진동을 생성합니다.

진동자로 사용할 수 있는 다양한 유형의 수정 물질이 있으며 전자 회로에 가장 중요한 것은 부분적으로 더 큰 기계적 강도로 인해 석영 광물입니다.

석영 크리스털 발진기 에 사용되는 석영 크리스털은   필요한 전기 연결을 만들기 위해 두 개의 평행한 표면이 금속화되어 있는 매우 작고 얇은 절단 석영 조각 또는 웨이퍼입니다. 수정 조각의 물리적 크기와 두께는 진동의 최종 또는 기본 주파수에 영향을 미치기 때문에 엄격하게 제어됩니다. 기본 주파수는 일반적으로 결정의 "특성 주파수"라고 합니다.

일단 자르고 모양을 만든 후에는 크리스탈을 다른 주파수에서 사용할 수 없습니다. 즉, 크기와 모양이 기본 진동 주파수를 결정합니다.

결정의 특성 또는 특성 주파수는 두 금속 표면 사이의 물리적 두께에 반비례합니다.  기계적으로 진동하는 수정은 아래와 같이 낮은 저항 R , 큰 인덕턴스  L  및 작은 커패시턴스  C 로 구성된 등가 전기 회로로 표현될 수 있습니다  .

석영 크리스털 등가 모델

석영 크리스털의 등가 전기 회로는   크리스털의 전기적 연결을 나타내는 커패시턴스  Cp 와 병렬로  크리스털의 기계적 진동을 나타내는 직렬 RLC 회로를 보여줍니다. 수정 수정 발진기는 "직렬 공진" 방향으로 작동하는 경향이 있습니다.

크리스털의 등가 임피던스는  Cs가  크리스털 작동 주파수 의 인덕턴스 Ls  와 공진하는  직렬 공진을 갖습니다. 이 주파수를 수정 시리즈 주파수  (fs) 라고 합니다 . 이 직렬 주파수 외에도   그림과 같이 Ls  와  Cs가  병렬 커패시터  Cp 와 공진할 때 생성된 병렬 공진의 결과로 설정된 두 번째 주파수 지점이 있습니다.

주파수에 대한 크리스털 임피던스

위의 크리스털 임피던스의 기울기는 터미널 전체에서 주파수가 증가함에 따라 이를 보여줍니다. 특정 주파수에서 직렬 커패시터  Cs  와 인덕터  Ls 사이의 상호 작용은  크리스털 임피던스를 최소  Rs 로 감소시키는 직렬 공진 회로를 생성합니다 . 이 주파수 지점을 크리스털 시리즈 공진 주파수  fs 라고 하며, fs  미만에서는   크리스털이 용량성을 갖습니다.

주파수가 이 직렬 공진점 이상으로 증가하면 수정은 주파수가 병렬 공진 주파수 fp 에 도달할 때까지 인덕터처럼 동작합니다  . 이 주파수 지점에서 직렬 인덕터  Ls  와 병렬 커패시터  Cp 사이의 상호 작용은  병렬로 조정된 LC 탱크 회로를 생성하며 이에 따라 크리스탈 전체의 임피던스는 최대값에 도달합니다.

그러면 수정 크리스털이 직렬 및 병렬 동조 공진 회로의 조합으로, 크리스털 절단에 따라 두 주파수 사이의 차이가 매우 작아 두 개의 서로 다른 주파수에서 진동한다는 것을 알 수 있습니다. 또한 수정은 직렬 또는 병렬 공진 주파수에서 작동할 수 있으므로 수정 발진기 회로는 두 주파수를 함께 사용할 수 없으므로 둘 중 하나의 주파수로 조정해야 합니다.

따라서 회로 특성에 따라 석영 크리스털은 커패시터, 인덕터, 직렬 공진 회로 또는 병렬 공진 회로로 작동할 수 있으며 이를 보다 명확하게 설명하기 위해 표시된 대로 주파수에 대한 크리스털 리액턴스를 플롯할 수도 있습니다.

주파수에 대한 크리스털 리액턴스

위의 주파수에 대한 리액턴스의 기울기는 주파수 fs 에서의 직렬 리액턴스가  Cs  에 반비례한다는  것을 보여줍니다. 왜냐하면 fs  미만   및  fp 이상에서는  수정이 용량성으로 나타나기 때문입니다. 주파수  fs  와  fp 사이에서 두 개의 병렬 커패시턴스가 상쇄됨에 따라 크리스털은 유도성으로 나타납니다.

그런 다음 결정 계열 공진 주파수 fs 에 대한 공식은   다음과 같이 제공됩니다.

직렬 공진 주파수

병렬 공진 주파수  fp는  직렬 LC 레그의 리액턴스가 병렬 커패시터  Cp 의 리액턴스와 같을 때 발생하며  다음과 같이 제공됩니다.

병렬 공진 주파수

쿼트 수정 발진기 예제 No1

수정 크리스탈의 값은  Rs = 6.4Ω ,  Cs = 0.09972pF  및  Ls = 2.546mH입니다 . 터미널 양단의 커패시턴스  Cp가 28.68pF  로 측정  되면 수정의 기본 발진 주파수와 2차 공진 주파수를 계산합니다.

크리스털 시리즈 공진 주파수,  f S

수정의 병렬 공진 주파수,  ¢ P

크리스탈의 기본 주파수인  fs 와 fp 사이의 차이는   약 18kHz(10.005MHz – 9.987MHz)에서 작다는 것을 알 수 있습니다. 그러나 이 주파수 범위에서는 크리스털의 인덕턴스가 용량성 또는 저항성 값보다 훨씬 높기 때문에 크리스털의 Q 인자(품질 인자)가 매우 높습니다. 직렬 공진 주파수에서 크리스탈의 Q 인자는 다음과 같습니다.

수정 발진기 Q-인자

그러면 우리 크리스탈 예의 Q 인자인 약 25,000은  X L /R  비율이 높기 때문입니다. 대부분의 크리스털의 Q 팩터는 20,000~200,000 범위에 있으며, 이전에 살펴본 우수한 LC 튜닝 탱크 회로는 1,000보다 훨씬 작습니다. 이 높은 Q-인자 값은 또한 작동 주파수에서 수정의 주파수 안정성을 높이는 데 기여하여 수정 발진기 회로를 구성하는 데 이상적입니다.

따라서 우리는 석영 크리스털이 전기적으로 조정된 LC 탱크 회로의 공진 주파수와 유사하지만  Q  인자가 훨씬 더 높은 공진 주파수를 갖는다는 것을 확인했습니다. 이는 주로 낮은 직렬 저항 Rs 때문입니다  . 결과적으로 석영 크리스털은 발진기, 특히 초고주파 발진기에 사용하기 위한 탁월한 부품 선택이 됩니다.

일반적인 수정 발진기의 발진 주파수 범위는 회로 구성과 사용되는 증폭 장치에 따라 약 40kHz에서 100MHz를 훨씬 넘는 수준까지 다양합니다. 크리스탈의 절단은 또한 일부 크리스탈이 두 개 이상의 주파수에서 진동하여 배음이라고 하는 추가 진동을 생성하므로 크리스탈이 어떻게 작동할지 결정합니다.

또한 수정이 평행하거나 균일한 두께가 아닌 경우 기본 주파수와 두 번째 또는 세 번째 고조파와 같은 고조파를 생성하는 두 개 이상의 공진 주파수를 가질 수 있습니다.

일반적으로 석영 크리스털의 기본 진동 주파수는 주변의 2차 고조파보다 훨씬 더 강하거나 뚜렷하므로 이것이 사용됩니다. 위의 그래프에서 수정 등가 회로에는 3개의 반응성 구성 요소, 2개의 커패시터와 1개의 인덕터가 있으므로 2개의 공진 주파수가 있고 가장 낮은 것은 직렬 공진 주파수이고 가장 높은 것은 병렬 공진 주파수임을 확인했습니다.

우리는 이전 튜토리얼에서 루프 이득이 1보다 크거나 같고 피드백이 양수인 경우 증폭기 회로가 진동한다는 것을 확인했습니다. 수정 수정 발진기 회로 에서   발진기는 수정의 기본 병렬 공진 주파수에서 진동합니다. 수정은 전압 소스가 적용될 때 항상 진동하기를 원하기 때문입니다.

그러나 수정 발진기를 기본 주파수의 짝수 고조파(2차, 4차, 8차 등)로 "조정"하는 것도 가능하며 이는 일반적으로  고조파 발진기 로 알려져  있으며  오버톤 발진기는  기본 주파수의 홀수 배수로 진동합니다. , 3일, 5일, 11일 등). 일반적으로 배음 주파수에서 작동하는 수정 발진기는 직렬 공진 주파수를 사용하여 작동합니다.

콜피츠 석영 수정 발진기

수정 발진기 회로는  일반적으로 바이폴라 트랜지스터 또는 FET를 사용하여 구성됩니다. 이는 연산 증폭기가 다양한 저주파(100kHz 이하) 발진기 회로에 사용될 수 있지만 연산 증폭기에는 1MHz 이상의 수정에 적합한 더 높은 주파수에서 성공적으로 작동할 수 있는 대역폭이 없기 때문입니다.

수정 발진기 의 디자인은  피드백 발진을 제공하는 LC  탱크 회로가 아래와 같이 석영 수정으로 대체되었다는 점을 제외하면  이전 튜토리얼에서 살펴본 Colpitts 발진기의 디자인과 매우 유사합니다  .

콜피츠 수정 발진기

이러한 유형의  수정 발진기는  공통 컬렉터(이미터-팔로워) 증폭기를 중심으로 설계되었습니다. R  1  및  R 2  저항 네트워크는 베이스의 DC 바이어스 레벨을 설정하고 이미터 저항  RE 는 출력  전압 레벨을 설정합니다. 저항  R2 는  병렬 연결된 크리스털에 부하가 걸리는 것을 방지하기 위해 가능한 한 크게 설정됩니다.

트랜지스터인 2N4265는 공통 컬렉터 구성으로 연결된 범용 NPN 트랜지스터이며 약 1MHz에서 5MHz 사이일 수 있는 크리스털 기본 주파수보다 훨씬 높은 100Mhz를 초과하는 스위칭 속도에서 작동할 수 있습니다.

Colpitts Crystal Oscillator 회로 의 위 회로도는   커패시터  C1  및  C2가  피드백 신호를 감소시키는 트랜지스터의 출력을 분류하는 것을 보여줍니다. 따라서 트랜지스터의 이득은  C1  과  C2 의 최대값을 제한합니다 . 크리스털의 과도한 전력 소비를 방지하려면 출력 진폭을 낮게 유지해야 합니다. 그렇지 않으면 과도한 진동으로 인해 크리스털이 파손될 수 있습니다.

피어스 발진기

수정 발진기의 또 다른 일반적인 디자인은 피어스 발진기(  Pierce Oscillator) 입니다 . Pierce 발진기는 이전 Colpitts 발진기와 설계가 매우 유사하며 수정을 피드백 회로의 일부로 사용하여 수정 발진기 회로를 구현하는 데 매우 적합합니다.

 Pierce 발진기는 기본적으로 주 증폭 장치로 JFET를 사용하는 직렬 공진 동조 회로(Colpitts 발진기의 병렬 공진 회로와 다름)입니다. FET는 다음과 같이 커패시터 C1 을 통해 드레인과 게이트 사이에 연결된 크리스탈로 매우 높은 입력 임피던스를 제공합니다.  아래에 표시됩니다.

피어스 수정 발진기

이 간단한 회로에서 수정은 발진 주파수를 결정하고 직렬 공진 주파수에서 작동하며   출력과 입력 사이에 낮은 임피던스 경로를 제공합니다 . 공진 시 180o 위상 변이가 발생하여  피드백이 긍정적이 됩니다. 출력 사인파의 진폭은 드레인 단자의 최대 전압 범위로 제한됩니다.

저항  R1은  피드백의 양과 크리스털 드라이브를 제어하는 ​​반면 무선 주파수 초크의 전압인  RFC는  각 사이클 동안 역전됩니다. 대부분의 디지털 시계, 시계 및 타이머는 최소한의 구성 요소를 사용하여 구현할 수 있으므로 어떤 형태로든 피어스 발진기를 사용합니다.

트랜지스터와 FET를 사용하는 것 외에도 CMOS 인버터를 이득 요소로 사용하여 피어스 발진기와 유사하게 작동하는 간단한 기본 병렬 공진 수정 발진기를 만들 수도 있습니다. 기본 수정 발진기는 TTL 74HC19 또는 CMOS 40106, 4049 유형과 같은 단일 반전 슈미트 트리거 논리 게이트, 유도 수정 및 두 개의 커패시터로 구성됩니다. 이 두 커패시터는 크리스털 부하 커패시턴스의 값을 결정합니다. 직렬 저항은 크리스털의 구동 전류를 제한하는 데 도움이 되며 커패시터 크리스털 네트워크에 의해 형성된 복합 임피던스로부터 인버터 출력을 분리합니다.

CMOS 수정 발진기

수정은 직렬 공진 주파수에서 진동합니다. CMOS 인버터는 초기에 피드백 저항기 R1 에 의해 작동 영역의 중간으로 바이어스됩니다  . 이는 인버터의 Q 포인트가 높은 이득 영역에 있도록 보장합니다. 여기서는 1MΩ 값 저항기가 사용되지만 1MΩ 이상이면 그 값은 중요하지 않습니다. 발진기에서 연결된 부하로의 출력을 버퍼링하기 위해 추가 인버터가 사용됩니다.

인버터는 180o의 위상 변이를 제공 하고 수정 커패시터 네트워크는  발진에 필요한  추가 180o 를 제공합니다. CMOS 수정 발진기의 장점은 발진에 대한 360 ° 위상 변이 를 유지하기 위해 항상 자동으로 자체 조정된다는 것입니다  .

정현파 출력 파형을 생성하는 이전 트랜지스터 기반 수정 발진기와 달리 CMOS 인버터 발진기는 디지털 논리 게이트를 사용하므로 출력은 HIGH와 LOW 사이에서 발진하는 구형파입니다. 당연히 최대 작동 주파수는 사용된 논리 게이트의 스위칭 특성에 따라 달라집니다.

마이크로프로세서 크리스탈 쿼츠 시계

 마이크로프로세서 크리스탈 시계에 대해 언급하지 않고는 Quartz Crystal Oscillator 튜토리얼을 끝낼 수 없습니다  . 사실상 모든 마이크로프로세서, 마이크로 컨트롤러, PIC 및 CPU는 일반적으로  수정 발진기를  주파수 결정 장치로 사용하여 클럭 파형을 생성합니다. 왜냐하면 우리가 이미 알고 있듯이 수정 발진기는 저항기 커패시터에 비해 최고의 정확도와 주파수 안정성을 제공하기 때문입니다. RC) 또는 인덕터-커패시터(LC) 발진기.

CPU 클럭은 프로세서가 얼마나 빨리 실행되고 1MHz의 클럭 속도를 갖는 마이크로프로세서, PIC 또는 마이크로컨트롤러로 데이터를 처리할 수 있는지를 나타냅니다. 이는 매 클럭 사이클에서 초당 100만 번 내부적으로 데이터를 처리할 수 있다는 의미입니다. 일반적으로 마이크로프로세서 클록 파형을 생성하는 데 필요한 것은 크리스털과 아래 표시된 대로 15~33pF 범위의 값을 갖는 두 개의 세라믹 커패시터뿐입니다.

마이크로프로세서 발진기

대부분의 마이크로프로세서, 마이크로 컨트롤러 및 PIC에는   외부 수정 수정 회로, 표준  RC  발진기 네트워크 또는 세라믹 공진기 에 연결하기 위한 OSC1  및  OSC2 라는 두 개의 발진기 핀이 있습니다. 이러한 유형의 마이크로프로세서 애플리케이션에서  Quartz Crystal Oscillator는  크리스털 자체에 의해 기본 주파수가 제어되는 연속 구형파 펄스열을 생성합니다. 이 기본 주파수는 프로세서 장치를 제어하는 ​​명령의 흐름을 조절합니다. 예를 들어 마스터 클록 및 시스템 타이밍이 있습니다.

쿼트 수정 발진기 예 No2

석영 크리스털은 절단 후  Rs = 1kΩ ,  Cs = 0.05pF ,  Ls = 3H  및  Cp = 10pF 값을 갖습니다 . 수정 시리즈와 병렬 발진 주파수를 계산합니다.

직렬 발진 주파수는 다음과 같이 주어진다.

병렬 발진 주파수는 다음과 같이 주어진다.

그러면 수정의 진동 주파수는  411kHz  에서  412kHz 사이가 됩니다 .