Dao động tinh thể

Dao động tinh thể

Trong bộ dao động tinh thể, mạch rung cơ bằng cách sử dụng một tinh thể có khả năng rung cơ thay vì mạch tiếp địa điện tử thông thường. Tinh thể này thường được làm từ chất khoáng quartz và có độ ổn định cao, giữ nguyên tần số ổn định ở mức tần số mà tinh thể được cắt ban đầu để hoạt động. Do đó, bộ dao động tinh thể thường được sử dụng khi cần độ ổn định lớn, ví dụ như trong các bộ truyền và nhận thông tin, đồng hồ kỹ thuật số, v.v.

Tinh thể quartz có một đặc tính quan trọng được biết đến là hiệu ứng piezo-điện. Khi áp lực cơ học được áp dụng qua mặt của tinh thể, một điện áp tỉ lệ với áp lực cơ học được áp dụng xuất hiện qua tinh thể. Ngược lại, khi một điện áp được áp dụng qua các bề mặt của tinh thể, tinh thể bị biến dạng một lượng tỉ lệ với điện áp được áp dụng. Một điện áp biến đổi được áp dụng vào tinh thể sẽ khiến nó rung cơ ở tần số tự nhiên của nó. Đây là đặc tính độc đáo góp phần vào độ chính xác và ổn định của bộ dao động tinh thể, làm cho chúng không thể thiếu trong các ứng dụng yêu cầu sự chính xác cao.

Ngoài quartz, các vật liệu khác thể hiện hiệu ứng piezo-điện bao gồm muối Rochelle và tourmaline. Muối Rochelle thể hiện hiệu ứng piezo-điện lớn nhất, nhưng ứng dụng của nó chỉ giới hạn trong việc sản xuất micro, tai nghe và loa. Điều này là do muối Rochelle cơ học yếu nhất và chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của độ ẩm và nhiệt độ. Tourmaline thì chắc chắn hơn nhưng hiệu ứng piezo-điện của nó thấp nhất. Quartz là sự kết hợp giữa hiệu ứng piezo-điện của muối Rochelle và độ cứng cơ học của tourmaline. Nó có giá thành rẻ và dễ dàng tìm thấy trong tự nhiên. Chủ yếu là tinh thể quartz được sử dụng trong các bộ dao động tần số radio (RF).

Để sử dụng trong các bộ dao động điện tử, tinh thể được cắt chính xác và sau đó được lắp đặt giữa hai tấm kim loại, như minh họa trong Hình (a). Mặc dù tinh thể có hiệu ứng cơ điện, nhưng hành vi của nó có thể được mô phỏng bằng một mạch điện cơ, như được mô tả trong Hình (b). Trong thực tế, tinh thể hoạt động như một mạch R-L-C nối tiếp song song với CM, trong đó CM là điện dung của các điện cực lắp đặt. Do các tổn thất trong tinh thể, được biểu diễn bằng R, nhỏ nên Q tương đương của tinh thể cao, thường là 20,000. Các giá trị của Q lên đến 10^6 có thể được đạt được bằng cách sử dụng tinh thể. Do sự hiện diện của CM, tinh thể có hai tần số rezô. Một trong những tần số này là tần số rezô nối tiếp fs tại đó 2 ∏fL = 1/2 ∏fC và trong trường hợp này, trở kháng của tinh thể rất thấp. Tần số rezô song song thứ hai là fp, do rezô song song của điện dung CM và phản ứng của mạch nối tiếp. Trong trường hợp này, trở kháng của tinh thể rất cao. Đồ thị trở kháng so với tần số của tinh thể được mô tả trong hình.

Để kích thích tinh thể hoạt động trong chế độ rezô nối tiếp, tinh thể có thể được kết nối như một thành phần nối tiếp trong đường lặp phản hồi, như minh họa trong hình vẽ. Trong chế độ hoạt động này, trở kháng của tinh thể là nhỏ nhất và lượng phản hồi dương là lớn nhất. Các résistor R1, R2 và RE tạo thành một mạch ổn định điện thế DC, trong khi tụ CE loại bỏ AC từ résistor của nguồn dòng emitter RE. Cuộn tần số cao (RFC) được sử dụng để cung cấp dòng cố định DC và tách mạch AC trên đường dẫn điện từ ảnh hưởng đến tín hiệu đầu ra. Tín hiệu phản hồi điện áp từ collector về base đạt tới giá trị tối đa khi trở kháng của tinh thể là tối thiểu (tức là, trong chế độ rezô nối tiếp). Tụ ghép Cc có trở kháng không đáng kể ở tần số hoạt động của mạch nhưng chặn mọi DC giữa collector và base. Mạch này, thường được gọi là tinh thể Pierce, xác định tần số dao động dựa trên tần số rezô nối tiếp của tinh thể. Biến đổi trong điện áp cung cấp, tham số của transistor, v.v. không ảnh hưởng đến tần số hoạt động của mạch, vì nó được ổn định bởi tinh thể.

Các bộ dao động tinh thể phải được thiết kế để cung cấp điện dung tải trên tinh thể theo các đặc điểm được liệt kê bởi nhà sản xuất. Yêu cầu này quan trọng để đạt được dao động ở tần số được chỉ định và giới hạn công suất cung cấp cho tinh thể trong giới hạn tối đa đã được quy định. Công suất quá mức đối với tinh thể có thể làm méo hình dạng sóng dao động và gây quá nhiệt, đẩy tần số rezô trở nên không ổn định. Ngoài ra, việc kích thích quá mức tinh thể có thể làm tan chảy điện cực mỏng, gây hư hại không thể sửa chữa cho thiết bị. Các mức công suất tối đa cho tinh thể mạ được thường dao động từ 2 mW đến 10 mW.

Công suất kích thích tối đa cho phép giới hạn điện áp AC có thể được áp dụng qua tinh thể và do đó ảnh hưởng đến thiết kế của mạch dao động. Thông thường, nhà sản xuất tinh thể chỉ định trở kháng của từng tinh thể cũng như công suất kích thích tối đa. Từ hai thông số này, điện áp AC tối đa của tinh thể có thể được xác định bằng mối quan hệ P = V²/R.