Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định tần số của bộ dao động nói chung bao gồm: sự thay đổi về nhiệt độ, sự thay đổi của tải, cũng như những thay đổi đối với điện áp nguồn DC của nó.
Độ ổn định tần số của tín hiệu đầu ra có thể được cải thiện đáng kể bằng cách lựa chọn thích hợp các thành phần được sử dụng cho mạch phản hồi cộng hưởng, bao gồm cả bộ khuếch đại. Nhưng có một giới hạn đối với sự ổn định có thể nhận được từ các mạch bình thường LC và RC.
Bộ dao động tinh thể
Để có được mức độ ổn định rất cao của bộ dao động, Tinh thể thạch anh thường được sử dụng làm thiết bị xác định tần số để tạo ra Mạch tạo xung gọi là Mạch tạo xung thạch anh , (XO).
Khi một nguồn điện áp được đặt vào một mảnh tinh thể thạch anh, nó bắt đầu thay đổi hình dạng tạo ra một đặc tính được gọi là hiệu ứng điện Piezo. Hiệu ứng điện Piezo này là đặc tính của tinh thể mà điện tích tạo ra lực cơ học bằng cách thay đổi hình dạng của tinh thể và ngược lại, lực cơ học tác dụng lên tinh thể tạo ra điện tích.
Các thiết bị điện áp có thể được phân loại là Bộ chuyển đổi khi chúng chuyển đổi năng lượng của loại này thành năng lượng của loại khác (điện thành cơ hoặc cơ thành điện). Hiệu ứng piezo-điện này tạo ra dao động cơ học hoặc dao động có thể được sử dụng để thay thế mạch LC tiêu chuẩn trong các bộ dao động trước đó.
Có nhiều loại chất tinh thể khác nhau có thể được sử dụng làm bộ dao động, trong đó quan trọng nhất trong số này cho các mạch điện tử là thạch anh, một phần do độ bền cơ học của chúng lớn hơn.
Tinh thể thạch anh được sử dụng trong Mạch tạo xung thạch anh là một mảnh hoặc phiến thạch anh cắt rất nhỏ, mỏng với hai bề mặt song song được luyện kim loại để tạo ra các kết nối điện cần thiết. Kích thước vật lý và độ dày của một mảnh tinh thể thạch anh được kiểm soát chặt chẽ vì nó ảnh hưởng đến tần số cuối cùng hoặc tần số cơ bản của dao động. Tần số cơ bản thường được gọi là “tần số đặc trưng” của tinh thể.
Sau khi được cắt và tạo hình, tinh thể không thể được sử dụng ở bất kỳ tần suất nào khác. Nói cách khác, kích thước và hình dạng của nó quyết định tần số dao động cơ bản của nó.
Đặc tính hoặc tần số đặc trưng của tinh thể tỷ lệ nghịch với độ dày vật lý của nó giữa hai bề mặt kim loại. Một tinh thể dao động cơ học có thể được biểu diễn bằng một mạch điện tương đương gồm điện trở thấp R , độ tự cảm L lớn và điện dung C nhỏ như hình bên dưới.
Mạch tạo xung thạch anh
Mạch điện tương đương của tinh thể thạch anh cho thấy một mạch RLC nối tiếp, đại diện cho các dao động cơ học của tinh thể, song song với một điện dung, Cp đại diện cho các liên kết điện với tinh thể. Bộ dao động tinh thể thạch anh có xu hướng hoạt động theo hướng “cộng hưởng nối tiếp”.
Trở kháng tương đương của tinh thể có cộng hưởng nối tiếp trong đó Cs tụ cộng hưởng với độ tự cảm Ls ở tần số hoạt động của tinh thể. Tần số này được gọi là tần số nối tiếp tinh thể ƒs . Cũng như tần số nối tiếp này, có một điểm tần số thứ hai được thiết lập là kết quả của cộng hưởng song song được tạo ra khi Ls và Cs cộng hưởng với tụ điện song song Cp như hình vẽ .
Trở kháng mạch tạo xung thạch anh chống lại tần số
Đường dốc trở kháng tinh thể ở trên cho thấy rằng khi tần số tăng trên các đầu của nó. Ở một tần số cụ thể, tương tác giữa tụ điện nối tiếp C và cuộn cảm Ls tạo ra một mạch cộng hưởng nối tiếp làm giảm trở kháng của các tinh thể xuống nhỏ nhất và bằng Rs . Điểm tần số này được gọi là tần số cộng hưởng của chuỗi tinh thể ƒs và dưới ƒs là điện dung.
Khi tần số tăng lên trên điểm cộng hưởng tinh thể hoạt động giống như một cuộn cảm cho đến khi tần số đạt đến tần số cộng hưởng song song của nó ƒp . Tại điểm tần số này, tương tác giữa cuộn cảm nối tiếp, Ls và tụ điện song song, Cp tạo ra một mạch LC song song và như vậy trở kháng qua tinh thể đạt giá trị cực đại.
Chúng ta có thể thấy rằng một tinh thể thạch anh là sự kết hợp của một chuỗi và các mạch cộng hưởng được điều chỉnh song song, dao động ở hai tần số khác nhau với sự khác biệt rất nhỏ giữa chúng tùy thuộc vào mặt cắt của tinh thể. Ngoài ra, vì tinh thể có thể hoạt động ở tần số cộng hưởng nối tiếp hoặc song song của nó, nên một mạch dao động tinh thể cần được điều chỉnh đến một hoặc tần số khác vì bạn không thể sử dụng cả hai cùng nhau.
Vì vậy, tùy thuộc vào các đặc tính của mạch, một tinh thể thạch anh có thể hoạt động như một tụ điện, một cuộn cảm, một mạch cộng hưởng nối tiếp hoặc như một mạch cộng hưởng song song và để chứng minh điều này rõ ràng hơn, chúng ta cũng có thể vẽ biểu đồ của các tinh thể phản kháng với tần số như hình bên.
Điện trở của tinh thể với tần số
Độ dốc của điện kháng so với tần số ở trên, cho thấy rằng điện kháng nối tiếp ở tần số ƒs tỷ lệ nghịch với Cs vì dưới ƒs và trên ƒp tinh thể xuất hiện điện dung. Giữa các tần số ƒs và ƒp , tinh thể xuất hiện cảm ứng khi hai điện dung song song triệt tiêu.
Công thức cho tần số cộng hưởng của chuỗi tinh thể, ƒs được cho là:
Tần số cộng hưởng nối tiếp
Tần số cộng hưởng song song, ƒp xảy ra khi cảm kháng của chân LC nối tiếp bằng với cảm kháng của tụ điện song song, Cp và được cho là:
Tần số cộng hưởng song song
Mạch tạo xung thạch anh Ví dụ No1
Một tinh thể thạch anh có các giá trị sau: Rs = 6,4Ω , Cs = 0,09972pF và Ls = 2,546mH . Nếu điện dung trên đầu cực của nó, Cp được đo ở 28,68pF , Tính tần số dao động cơ bản của tinh thể và tần số cộng hưởng thứ cấp của nó.
Tần số cộng hưởng của chuỗi tinh thể, ƒ S
Tần số cộng hưởng song song của tinh thể, ƒ P
Chúng ta có thể thấy rằng sự khác biệt giữa ƒs , tần số cơ bản của tinh thể và ƒp là nhỏ vào khoảng 18kHz (10.005MHz – 9.987MHz). Tuy nhiên trong dải tần số này, hệ số Q (Hệ số chất lượng) của tinh thể rất cao vì độ tự cảm của tinh thể cao hơn nhiều so với các giá trị điện dung hoặc điện trở của nó. Hệ số Q của tinh thể ở tần số cộng hưởng chuỗi được cho là:
Hệ số Q
Hệ số Q của ví dụ trên khoảng 25.000, là do tỷ lệ X L / R cao . Hệ số Q của hầu hết các tinh thể nằm trong vùng từ 20.000 đến 200.000 so với mạch LC mà chúng ta đã thảo luận trước đây sẽ nhỏ hơn 1.000. Giá trị hệ số Q này cũng góp phần vào độ ổn định tần số cao hơn của tinh thể ở tần số hoạt động của nó, khiến nó trở nên lý tưởng để xây dựng các mạch dao động tinh thể.
Vì vậy, chúng ta đã thấy rằng một tinh thể thạch anh có tần số cộng hưởng tương tự như tần số cộng hưởng của một mạch LC nhưng với hệ số Q cao hơn nhiều . Điều này chủ yếu là do điện trở nối tiếp thấp Rs . Do đó, các tinh thể thạch anh trở thành một lựa chọn linh kiện tuyệt vời để sử dụng trong các bộ dao động, đặc biệt là các bộ dao động tần số rất cao.
Các bộ dao động tinh thể điển hình có thể có tần số dao động từ khoảng 40kHz đến hơn 100MHz tùy thuộc vào cấu hình mạch của chúng và thiết bị khuếch đại được sử dụng. Vết cắt của tinh thể cũng xác định cách nó sẽ hoạt động vì một số tinh thể sẽ dao động ở nhiều hơn một tần số, tạo ra các dao động bổ sung được gọi là âm bội.
Ngoài ra, nếu tinh thể không có độ dày song song hoặc đồng nhất, nó có thể có hai hoặc nhiều tần số cộng hưởng với tần số cơ bản tạo ra sóng hài, chẳng hạn như sóng hài bậc hai hoặc bậc ba.
Nói chung, mặc dù tần số dao động cơ bản của tinh thể thạch anh mạnh hơn hoặc rõ rệt hơn nhiều so với tần số dao động của và sóng hài thứ cấp xung quanh nó nên đây sẽ là tần số được sử dụng. Chúng ta đã thấy trong đồ thị trên rằng một mạch tương đương tinh thể có ba thành phần trở kháng, hai tụ điện và một cuộn cảm nên có hai tần số cộng hưởng, thấp nhất là tần số cộng hưởng nối tiếp và cao nhất là tần số cộng hưởng song song.
Chúng ta đã thấy trong các hướng dẫn trước, rằng một mạch khuếch đại sẽ dao động nếu nó có độ lợi lớn hơn hoặc bằng một và phản hồi là dương. Trong Mạch tạo xung thạch anh, bộ dao động sẽ dao động ở tần số cộng hưởng song song cơ bản của tinh thể vì tinh thể luôn dao động khi có nguồn điện áp đặt vào nó.
Tuy nhiên, cũng có thể “điều chỉnh” một bộ dao động tinh thể thành bất kỳ sóng hài chẵn nào của tần số cơ bản, (bậc 2, 4, 8, v.v.) và chúng thường được gọi là Bộ dao động hài trong khi Bộ dao động Overtone dao động ở bội số lẻ của tần số cơ bản , bậc 3, bậc 5, bậc 11, v.v.). Nói chung, các bộ dao động tinh thể hoạt động ở tần số âm bội làm như vậy bằng cách sử dụng tần số cộng hưởng chuỗi của chúng.
Mạch tạo xung thạch anh Colpitts
Các mạch dao động tinh thể thường được xây dựng bằng cách sử dụng transistor lưỡng cực hoặc FET. Điều này là do mặc dù các bộ khuếch đại thuật toán có thể được sử dụng trong nhiều mạch dao động tần số thấp (≤100kHz) khác nhau, các bộ khuếch đại thuật toán không có dải thông để hoạt động được ở các tần số cao hơn phù hợp với các tinh thể trên 1MHz.
Thiết kế của Mạch tạo xung thạch anh rất giống với thiết kế của mạch tạo xung Colpitts , ngoại trừ mạch LC cung cấp dao động phản hồi đã được thay thế bằng một tinh thể thạch anh như hình dưới đây.
Mạch dao động tinh thể Colpitts
Mạch tạo dao động tinh thể này được thiết kế xung quanh một Mạch khuếch đại C chung (emitter-follower). Các điện trở R 1 và R 2 là mạch phân áp cung cấp điện áp cho cực B của transistor , điện trở R E đặt mức điện áp đầu ra. Điện trở R 2 được đặt càng lớn càng tốt để ngăn tải đến tinh thể được kết nối song song.
Transistor ;l2N4265 là một bóng bán dẫn NPN đa năng được kết nối trong một cấu hình bộ thu chung và có khả năng hoạt động ở tốc độ chuyển mạch vượt quá 100Mhz, cao hơn nhiều so với tần số cơ bản tinh thể có thể nằm trong khoảng 1MHz đến 5MHz.
Sơ đồ mạch ở trên của mạch Dao động tinh thể Colpitts cho thấy rằng các tụ điện, C1 và C2 đóng ngắt đầu ra của transistor làm giảm tín hiệu phản hồi. Do đó, độ lợi của transistor giới hạn các giá trị lớn nhất của C1 và C2 . Biên độ đầu ra phải được giữ ở mức thấp để tránh tiêu tán công suất quá mức trong tinh thể nếu không có thể tự phá hủy do dao động quá mức.
Mạch tạo xung thạch anh
Một thiết kế phổ biến khác của Mạch tạo xung thạch anh là của Bộ tạo dao động Pierce . Bộ tạo dao động Pierce có thiết kế rất giống với bộ tạo dao động Colpitts trước đây và rất phù hợp để thực hiện các mạch dao động tinh thể sử dụng một tinh thể như một phần của mạch phản hồi của nó.
Bộ tạo dao động Pierce chủ yếu là một mạch điều chỉnh cộng hưởng nối tiếp (không giống như mạch cộng hưởng song song của bộ dao động Colpitts) sử dụng JFET để khuếch đại vì FET cung cấp trở kháng đầu vào rất cao với tinh thể được kết nối giữa Drain và Gate thông qua tụ điện C1 như hiển thị bên dưới.
Bộ tạo dao động Pierce
Trong mạch đơn giản này, tinh thể xác định tần số dao động và hoạt động ở tần số cộng hưởng nối tiếp của nó ƒs tạo ra một đường trở kháng thấp giữa đầu ra và đầu vào. Có một sự dịch pha 180 o khi cộng hưởng, làm cho phản hồi tích cực. Biên độ của sóng sin đầu ra được giới hạn trong phạm vi điện áp lớn nhất tại Drain.
Điện trở, R1 điều khiển lượng phản hồi và tinh thể trong khi điện áp trên cuộn cảm ở tần số vô tuyến, RFC đảo ngược trong mỗi chu kỳ. Hầu hết đồng hồ kỹ thuật số, đồng hồ và bộ đếm thời gian sử dụng Bộ dao động Pierce ở một số hình thức hoặc hình thức khác vì nó có thể được thực hiện bằng cách sử dụng tối thiểu các thành phần.
Cũng như việc sử dụng các transistor và FET, chúng ta cũng có thể tạo một bộ dao động tinh thể cộng hưởng song song cơ bản đơn giản hoạt động tương tự như bộ tạo dao động Pierce bằng cách sử dụng CMOS làm phần tử khuếch đại. Bộ dao động tinh thể thạch anh cơ bản bao gồm một cổng logic Schmitt trigger (mạch so sánh) đảo như loại TTL 74HC19 hoặc CMOS 40106, 4049, một tinh thể cảm ứng và hai tụ điện. Hai tụ điện này xác định giá trị của tải điện dung của tinh thể. Điện trở nối tiếp giúp hạn chế dòng truyền động trong tinh thể và cũng cách ly đầu ra của bộ nghịch lưu khỏi trở kháng phức tạp được hình thành bởi tinh thể và tụ điện.
Bộ dao động tinh thể CMOS
Tinh thể dao động với tần số cộng hưởng nối tiếp của nó. CMOS ban đầu được đưa vào giữa vùng hoạt động của nó bởi điện trở phản hồi R1 . Điều này đảm bảo rằng điểm Q của Cmos nằm trong vùng có độ lợi cao. Ở đây, một điện trở giá trị 1MΩ được sử dụng, nhưng giá trị của nó không quan trọng miễn là nó lớn hơn 1MΩ. Một bộ chuyển đổi được sử dụng để đệm đầu ra từ bộ dao động đến tải được kết nối.
Bộ chuyển đổi làm dịch pha 180 o và mạng tụ điện – tinh thể thêm 180 o cần thiết cho dao động. Ưu điểm của bộ tạo dao động tinh thể CMOS là nó sẽ luôn tự động điều chỉnh lại chính nó để duy trì độ lệch pha 360 o này cho dao động.
Không giống như các bộ dao động tinh dùng transistor trước đây tạo ra dạng sóng đầu ra hình sin, vì bộ tạo dao động CMOS sử dụng các cổng logic kỹ thuật số, đầu ra là một sóng vuông dao động giữa CAO và THẤP. Đương nhiên, tần số hoạt động tối đa phụ thuộc vào đặc tính chuyển mạch của cổng logic được sử dụng.
Tạo dao động xung nhịp vi xử lý
Hầu như tất cả các bộ vi xử lý, bộ điều khiển vi mô, PIC và CPU thường hoạt động bằng cách sử dụng Bộ tạo dao động tinh thể thạch anh làm thiết bị xác định tần số của nó để tạo ra dạng xung clock bởi vì như chúng ta đã biết, bộ dao động tinh thể cung cấp độ chính xác và ổn định tần số cao nhất so với tụ điện trở, ( RC) hoặc cuộn cảm-tụ điện, (LC) dao động.
Xung nhịp CPU cho biết bộ xử lý có thể chạy và xử lý dữ liệu nhanh như thế nào với bộ vi xử lý, PIC hoặc vi điều khiển có tốc độ xung nhịp 1MHz có nghĩa là nó có thể xử lý dữ liệu nội bộ một triệu lần mỗi giây tại mỗi chu kỳ xung nhịp. Nói chung, tất cả những gì cần thiết để tạo ra dạng sóng xung nhịp của bộ vi xử lý là một tinh thể và hai tụ gốm có giá trị trong khoảng từ 15 đến 33pF như hình dưới đây.
Bộ tạo dao động vi xử lý
Hầu hết các bộ vi xử lý, vi điều khiển và PIC đều có hai chân dao động có nhãn OSC1 và OSC2 để kết nối với mạch tinh thể thạch anh bên ngoài, mạng dao động RC tiêu chuẩn hoặc thậm chí là bộ cộng hưởng gốm. Trong loại ứng dụng vi xử lý này, Mạch tạo xung thạch anh tạo ra một nhóm các xung sóng vuông liên tục có tần số cơ bản được điều khiển bởi chính tinh thể. Tần số cơ bản này quy định luồng lệnh điều khiển thiết bị bộ xử lý. Ví dụ, xung clock chính và thời gian hệ thống.
Ví dụ về bộ dao động tinh thể No2
Một tinh thể thạch anh sau khi bị cắt có các giá trị sau: Rs = 1kΩ , Cs = 0,05pF , Ls = 3H và Cp = 10pF . Tính Tần số dao động nối tiếp và tần số dao động song song.
Tần số dao động nối tiếp được cho là:
Tần số dao động song song được cho là:
Khi đó tần số dao động của tinh thể sẽ nằm trong khoảng từ 411kHz đến 412kHz .