مذبذبات كريستال الكوارتز

واحدة من أهم ميزات أي مذبذب هو  استقرار التردد ، أو بمعنى آخر قدرته على توفير خرج تردد ثابت في ظل ظروف تحميل مختلفة.

تتغلب مذبذبات كريستال كواتز على بعض العوامل التي تؤثر على استقرار تردد المذبذب. وتشمل هذه بشكل عام: التغيرات في درجة الحرارة، والتغيرات في الحمل، بالإضافة إلى التغييرات في جهد مصدر الطاقة DC على سبيل المثال لا الحصر.

يمكن تحسين استقرار تردد إشارة الخرج بشكل كبير عن طريق الاختيار الصحيح للمكونات المستخدمة في دائرة ردود الفعل الرنانة، بما في ذلك مكبر الصوت. ولكن هناك حدًا للاستقرار الذي يمكن الحصول عليه من دوائر الخزانات LC وRC العادية.

للحصول على مستوى عالٍ جدًا من استقرار المذبذب،  يتم استخدام كريستال الكوارتز  عمومًا كجهاز تحديد التردد لإنتاج أنواع أخرى من دوائر المذبذب المعروفة عمومًا باسم  مذبذب كريستال الكوارتز ، (XO).

عندما يتم تطبيق مصدر جهد على قطعة رقيقة صغيرة من بلورة الكوارتز، فإنها تبدأ في تغيير شكلها منتجة خاصية تعرف باسم  التأثير الكهربائي الضغطي . هذا التأثير الكهربائي الانضغاطي هو خاصية البلورة التي من خلالها تنتج الشحنة الكهربائية قوة ميكانيكية عن طريق تغيير شكل البلورة والعكس صحيح، القوة الميكانيكية المطبقة على البلورة تنتج شحنة كهربائية.

بعد ذلك، يمكن تصنيف الأجهزة الكهربائية الانضغاطية على أنها محولات طاقة لأنها تحول الطاقة من نوع ما إلى طاقة من نوع آخر (كهربائية إلى ميكانيكية أو ميكانيكية إلى كهربائية). ينتج هذا التأثير الكهربائي الانضغاطي اهتزازات أو تذبذبات ميكانيكية يمكن استخدامها لتحل محل  دائرة خزان LC القياسية  في المذبذبات السابقة.

هناك العديد من الأنواع المختلفة من المواد البلورية التي يمكن استخدامها كمذبذبات، وأهمها بالنسبة للدوائر الإلكترونية هي معادن الكوارتز، ويرجع ذلك جزئيًا إلى قوتها الميكانيكية الأكبر.

إن بلورة الكوارتز المستخدمة في  مذبذب كريستال الكوارتز  عبارة عن قطعة صغيرة جدًا ورقيقة أو رقاقة من الكوارتز المقطوع مع سطحين متوازيين ممعدنين لإجراء التوصيلات الكهربائية المطلوبة. يتم التحكم بإحكام في الحجم المادي وسمك قطعة بلورة الكوارتز لأنها تؤثر على التردد النهائي أو الأساسي للتذبذبات. يُطلق على التردد الأساسي عمومًا اسم "التردد المميز" للبلورات.

بمجرد قطعها وتشكيلها، لا يمكن استخدام البلورة على أي تردد آخر. بمعنى آخر، حجمه وشكله يحددان تردد تذبذبه الأساسي.

يتناسب التردد المميز أو المميز للبلورات عكسيا مع سمكها المادي بين السطحين المعدنيين. يمكن تمثيل البلورة المهتزة ميكانيكيًا بدائرة كهربائية مكافئة تتكون من مقاومة منخفضة  R ومحاثة كبيرة  L  وسعة صغيرة  C  كما هو موضح أدناه.

نموذج مكافئ لكريستال الكوارتز

تُظهر الدائرة الكهربائية المكافئة لبلورة الكوارتز  دائرة RLC متسلسلة  ، والتي تمثل الاهتزازات الميكانيكية للبلورة، على التوازي مع سعة  Cp  التي تمثل التوصيلات الكهربائية للبلورة. تميل مذبذبات كريستال الكوارتز إلى العمل نحو "الرنين المتسلسل" الخاص بها.

إن الممانعة المكافئة للبلورة لها رنين متسلسل حيث  يتردد Cs  مع الحث،  و Ls  عند تردد تشغيل البلورة. ويسمى هذا التردد تردد سلسلة البلورات،  ƒs . بالإضافة إلى هذا التردد المتسلسل، هناك نقطة تردد ثانية تم إنشاؤها نتيجة للرنين التفرعي الناتج عندما  يرن Ls  و  Cs  مع المكثف التفرعي  Cp  كما هو موضح.

مقاومة الكريستال ضد التردد

يوضح ميل ممانعة البلورات أعلاه أنه مع زيادة التردد عبر أطرافها. عند تردد معين، يؤدي التفاعل بين المكثف التسلسلي  Cs  والمحرِّض  Ls  إلى إنشاء دائرة رنين تسلسلية تقلل ممانعة البلورات إلى الحد الأدنى وتساوي  Rs . تسمى نقطة التردد هذه بتردد الرنين  ƒs لسلسلة البلورات  وتحت  ƒs  تكون البلورة سعوية.

ومع زيادة التردد فوق نقطة الرنين المتسلسلة هذه، تتصرف البلورة كمحرِّض حتى يصل التردد إلى تردد الرنين الموازي  ƒp . عند نقطة التردد هذه، يؤدي التفاعل بين محث السلسلة  Ls  والمكثف التفرعي  Cp  إلى إنشاء دائرة خزان LC مضبوطة ومتوازية، وبالتالي تصل الممانعة عبر البلورة إلى قيمتها القصوى.

ثم يمكننا أن نرى أن بلورة الكوارتز عبارة عن مزيج من سلسلة ودوائر رنين مضبوطة متوازية، تتأرجح عند ترددين مختلفين مع اختلاف بسيط جدًا بين الاثنين اعتمادًا على قطع البلورة. أيضًا، نظرًا لأن البلورة يمكن أن تعمل إما على ترددات الرنين المتسلسلة أو المتوازية، فإن دائرة المذبذب البلوري تحتاج إلى ضبطها على تردد واحد أو آخر حيث لا يمكنك استخدام كليهما معًا.

لذا، اعتمادًا على خصائص الدائرة، يمكن لبلورة الكوارتز أن تعمل إما كمكثف، أو كمحرِّض، أو كدائرة رنين تسلسلية، أو كدائرة رنين متوازية، ولتوضيح ذلك بشكل أكثر وضوحًا، يمكننا أيضًا رسم تفاعل البلورات مع التردد كما هو موضح.

مفاعلة البلورة ضد التردد

يُظهر ميل المفاعلة مقابل التردد أعلاه، أن المفاعلة المتسلسلة عند التردد  ƒs  تتناسب عكسيًا مع  Cs  لأنه تحت  ƒs  وفوق  ƒp  تبدو البلورة سعوية. بين الترددين  ƒs  و  ƒp ، تظهر البلورة حثية عندما تلغي السعتان المتوازيتان.

 ثم يتم إعطاء صيغة تردد الرنين لسلسلة البلورات،  ƒs على النحو التالي:

تردد الرنين التسلسلي

يحدث تردد الرنين التفرعي  ƒp  عندما تساوي مفاعلة الضلع LC مفاعلة المكثف التفرعي  Cp  ويُعطى بالشكل التالي:

تردد الرنين الموازي

مذبذب كريستال كوارت مثال رقم 1

تحتوي بلورة الكوارتز على القيم التالية:  Rs = 6.4Ω و  Cs = 0.09972pF  و  Ls = 2.546mH . إذا كانت السعة عبر طرفها،   تم قياس  Cp عند 28.68pF ، فاحسب تردد التذبذب الأساسي للبلورة وتردد الرنين الثانوي.

تردد الرنين لسلسلة البلورات،  ƒ S

تردد الرنين الموازي للبلورة،  ƒ P

يمكننا أن نرى أن الفرق بين  ƒs ، التردد الأساسي للبلورة و  ƒp  ، صغير عند حوالي 18 كيلو هرتز (10.005 ميجا هرتز - 9.987 ميجا هرتز). ومع ذلك، خلال نطاق التردد هذا، يكون عامل Q (عامل الجودة) للبلورة مرتفعًا للغاية لأن محاثة البلورة أعلى بكثير من قيمها السعوية أو المقاومة. يتم إعطاء العامل Q للبلورة عند تردد الرنين المتسلسل على النحو التالي:

المذبذبات الكريستالية Q-factor

ثم إن عامل Q في مثالنا البلوري، حوالي 25000، يرجع إلى  نسبة X L /R العالية  . يتراوح عامل Q لمعظم البلورات من 20.000 إلى 200.000 مقارنة بدائرة الخزان المضبوطة LC الجيدة التي نظرنا إليها سابقًا والتي ستكون أقل بكثير من 1000. تساهم قيمة عامل Q العالية أيضًا في زيادة استقرار تردد البلورة عند تردد التشغيل مما يجعلها مثالية لبناء دوائر مذبذب بلوري.

لقد رأينا أن بلورة الكوارتز لها تردد رنين مشابه لتردد دائرة خزان LC المضبوطة كهربائيًا ولكن مع  عامل Q أعلى بكثير  . ويرجع ذلك أساسًا إلى مقاومة السلسلة المنخفضة،  Rs . ونتيجة لذلك، تعتبر بلورات الكوارتز اختيارًا ممتازًا للمكونات للاستخدام في المذبذبات وخاصة المذبذبات ذات التردد العالي جدًا.

يمكن أن تتراوح المذبذبات البلورية النموذجية في ترددات التذبذب من حوالي 40 كيلو هرتز إلى ما يزيد عن 100 ميجا هرتز اعتمادًا على تكوين دائرتها وجهاز التضخيم المستخدم. يحدد قطع البلورة أيضًا كيفية تصرفها حيث أن بعض البلورات سوف تهتز بأكثر من تردد واحد، مما ينتج عنه تذبذبات إضافية تسمى النغمات.

وأيضًا، إذا لم تكن البلورة ذات سمك متوازي أو منتظم، فقد تحتوي على ترددين رنينين أو أكثر مع تردد أساسي ينتج ما يسمى بالتوافقيات، مثل التوافقيات الثانية أو الثالثة.

بشكل عام، على الرغم من أن تردد التذبذب الأساسي لبلورة الكوارتز أقوى بكثير أو أكثر وضوحًا من تردد التوافقيات الثانوية حولها، لذلك سيكون هذا هو التردد المستخدم. لقد رأينا في الرسوم البيانية أعلاه أن الدائرة المكافئة للبلورات تحتوي على ثلاثة مكونات متفاعلة، ومكثفان بالإضافة إلى ملف حث، لذلك يوجد ترددان طنين، الأدنى هو تردد الرنين المتسلسل والأعلى هو تردد الرنين الموازي.

لقد رأينا في الدروس السابقة أن دائرة مكبر الصوت سوف تتأرجح إذا كان بها كسب حلقة أكبر أو يساوي واحد وكانت التغذية الراجعة إيجابية. في  دائرة مذبذب كريستال الكوارتز  ، سوف يتأرجح المذبذب عند تردد الرنين المتوازي الأساسي للبلورة، حيث تريد البلورة دائمًا التأرجح عند تطبيق مصدر جهد عليها.

ومع ذلك، من الممكن أيضًا "ضبط" مذبذب بلوري على أي توافقي زوجي من التردد الأساسي، (الثاني والرابع والثامن وما إلى ذلك) وتعرف هذه بشكل عام باسم  المذبذبات التوافقية  بينما  تهتز مذبذبات النغمة الزائدة  عند مضاعفات فردية للتردد الأساسي ، الثالث، الخامس، الحادي عشر الخ). بشكل عام، المذبذبات البلورية التي تعمل بترددات زائدة تفعل ذلك باستخدام تردد الرنين المتسلسل الخاص بها.

كولبيتس الكوارتز الكريستال المذبذب

 يتم إنشاء دوائر المذبذب البلوري عمومًا باستخدام الترانزستورات ثنائية القطب أو FETs. وذلك لأنه على الرغم من إمكانية استخدام مكبرات الصوت التشغيلية في العديد من دوائر المذبذبات ذات التردد المنخفض (100 كيلو هرتز)، إلا أن مكبرات الصوت التشغيلية لا تمتلك عرض النطاق الترددي للعمل بنجاح عند الترددات الأعلى المناسبة للبلورات التي تزيد عن 1 ميجا هرتز.

إن تصميم  مذبذب Crystal  يشبه إلى حد كبير تصميم Colpitts Oscillator الذي نظرنا إليه في البرنامج التعليمي السابق، فيما عدا أن  دائرة خزان LC  التي توفر ذبذبات التغذية الراجعة قد تم استبدالها ببلورة كوارتز كما هو موضح أدناه.

مذبذب كريستال كولبيتس

تم تصميم هذا النوع من  المذبذبات الكريستالية  حول مضخم صوت مجمع مشترك (تابع للباعث). تقوم شبكة  المقاوم R 1  و  R 2  بتعيين مستوى انحياز التيار المستمر على القاعدة بينما يقوم مقاوم الباعث  R E  بتعيين مستوى جهد الخرج. تم ضبط المقاوم  R 2  على أكبر حجم ممكن لمنع التحميل على البلورة المتصلة المتوازية.

الترانزستور 2N4265 هو ترانزستور NPN للأغراض العامة متصل بتكوين مجمع مشترك وهو قادر على العمل بسرعات تبديل تزيد عن 100 ميجا هرتز، وهو أعلى بكثير من التردد الأساسي للبلورة والذي يمكن أن يتراوح بين حوالي 1 ميجا هرتز و5 ميجا هرتز.

يوضح الرسم البياني أعلاه  لدائرة Colpitts Crystal Oscillator  أن المكثفات  C1  و  C2  تقوم بتحويل خرج الترانزستور مما يقلل من إشارة التغذية المرتدة. لذلك، فإن كسب الترانزستور يحد من القيم القصوى لـ  C1  و  C2 . يجب أن تظل سعة الخرج منخفضة لتجنب تبديد الطاقة المفرط في البلورة وإلا فقد تدمر نفسها بسبب الاهتزاز المفرط.

مذبذب بيرس

التصميم الشائع الآخر لمذبذب الكوارتز البلوري هو تصميم  مذبذب بيرس . مذبذب بيرس مشابه جدًا في التصميم لمذبذب Colpitts السابق وهو مناسب تمامًا لتنفيذ دوائر المذبذب البلوري باستخدام البلورة كجزء من دائرة التغذية الراجعة الخاصة به.

مذبذب بيرس هو في المقام الأول عبارة عن دائرة رنانة متسلسلة (على عكس دائرة الرنين المتوازية لمذبذب Colpitts) والتي تستخدم JFET لجهاز التضخيم الرئيسي الخاص بها حيث توفر FET ممانعات دخل عالية جدًا مع البلورة المتصلة بين المصرف والبوابة عبر مكثف  C1  كما ظاهر أدناه.

مذبذب بيرس كريستال

في هذه الدائرة البسيطة، تحدد البلورة تردد التذبذبات وتعمل على تردد الرنين المتسلسل الخاص بها،  مما  يوفر مسار ممانعة منخفضة بين الخرج والمدخل. هناك تحول طور بمقدار 180 درجة  عند الرنين، مما يجعل التغذية الراجعة إيجابية. تقتصر سعة موجة الخرج الجيبية على أقصى نطاق للجهد عند طرف التصريف.

يتحكم المقاوم  R1  في مقدار التغذية المرتدة والمحرك البلوري بينما يختنق الجهد عبر تردد الراديو،  ويعكس RFC  خلال كل دورة. تستخدم معظم الساعات الرقمية والساعات وأجهزة ضبط الوقت مذبذب بيرس بشكل أو بآخر حيث يمكن تنفيذه باستخدام الحد الأدنى من المكونات.

بالإضافة إلى استخدام الترانزستورات وFETs، يمكننا أيضًا إنشاء مذبذب بلوري بسيط متوازي الرنين مشابه في التشغيل لمذبذب بيرس باستخدام عاكس CMOS كعنصر الكسب. يتكون مذبذب بلورات الكوارتز الأساسي من بوابة منطقية مقلوبة لزناد شميت مثل TTL 74HC19 أو CMOS 40106، 4049، وبلورة حثية ومكثفين. يحدد هذان المكثفان قيمة سعة حمل البلورات. يساعد المقاوم التسلسلي على الحد من تيار المحرك في البلورة ويعزل أيضًا خرج العاكس عن المعاوقة المعقدة التي تشكلها شبكة المكثفات البلورية.

مذبذب كريستال CMOS

تتأرجح البلورة عند تردد الرنين المتسلسل. يكون عاكس CMOS متحيزًا في البداية إلى منتصف منطقة التشغيل الخاصة به بواسطة مقاومة التغذية المرتدة،  R1 . وهذا يضمن أن نقطة Q للعاكس موجودة في منطقة ذات مكاسب عالية. هنا يتم استخدام مقاومة بقيمة 1MΩ، لكن قيمتها ليست حرجة طالما أنها أكبر من 1MΩ. يتم استخدام عاكس إضافي لتخزين الإخراج من المذبذب إلى الحمل المتصل.

يوفر العاكس 180 درجة  من إزاحة الطور وشبكة المكثفات البلورية 180 درجة إضافية  مطلوبة للتذبذب. تتمثل ميزة المذبذب البلوري CMOS في أنه سوف يقوم دائمًا بإعادة ضبط نفسه تلقائيًا للحفاظ على تحول الطور بمقدار 360 درجة  للتذبذب.

على عكس المذبذبات البلورية السابقة المعتمدة على الترانزستور والتي أنتجت شكل موجة خرج جيبية، حيث يستخدم مذبذب CMOS العاكس بوابات منطقية رقمية، يكون الخرج عبارة عن موجة مربعة تتأرجح بين الارتفاع والمنخفض. وبطبيعة الحال، يعتمد الحد الأقصى لتردد التشغيل على خصائص التبديل للبوابة المنطقية المستخدمة.

ساعات الكوارتز الكريستال المعالجات الدقيقة

لا يمكننا إنهاء  البرنامج التعليمي لمذبذبات الكوارتز الكريستالية  دون ذكر شيء عن الساعات البلورية ذات المعالجات الدقيقة. تعمل جميع المعالجات الدقيقة ووحدات التحكم الدقيقة ووحدات التحكم PIC ووحدة المعالجة المركزية تقريبًا بشكل عام باستخدام مذبذب  كريستال الكوارتز  كجهاز تحديد التردد الخاص بها لتوليد شكل موجة الساعة الخاصة بها لأنه كما نعلم بالفعل، توفر المذبذبات البلورية أعلى دقة واستقرار للتردد مقارنة بمكثف المقاوم، ( RC) أو مذبذبات مكثفة (LC).

تحدد ساعة وحدة المعالجة المركزية مدى سرعة تشغيل المعالج ومعالجة البيانات باستخدام معالج دقيق أو PIC أو وحدة تحكم دقيقة تبلغ سرعتها 1 ميجا هرتز مما يعني أنه يمكنه معالجة البيانات داخليًا مليون مرة في الثانية في كل دورة على مدار الساعة. بشكل عام، كل ما هو مطلوب لإنتاج شكل موجة لساعة المعالج الدقيق هو بلورة ومكثفان من السيراميك بقيم تتراوح بين 15 إلى 33pF كما هو موضح أدناه.

مذبذب المعالجات الدقيقة

تحتوي معظم المعالجات الدقيقة ووحدات التحكم الدقيقة وPIC على طرفي مذبذب يُسمى  OSC1  و  OSC2  للاتصال بدائرة كريستال كوارتز خارجية أو  شبكة مذبذب RC القياسية  أو حتى مرنان سيراميك. في هذا النوع من تطبيقات المعالجات الدقيقة،  ينتج مذبذب كريستال الكوارتز  قطارًا من نبضات الموجة المربعة المستمرة التي يتم التحكم في ترددها الأساسي بواسطة البلورة نفسها. ينظم هذا التردد الأساسي تدفق التعليمات التي تتحكم في جهاز المعالج. على سبيل المثال، الساعة الرئيسية وتوقيت النظام.

مذبذب كريستال كوارت مثال رقم 2

تحتوي بلورة الكوارتز على القيم التالية بعد قطعها،  Rs = 1kΩ ،  Cs = 0.05pF ،  Ls = 3H  و  Cp = 10pF . حساب سلسلة البلورات والترددات المتذبذبة الموازية.

يتم إعطاء التردد المتذبذب على التوالي على النحو التالي:

يتم إعطاء تردد التذبذب الموازي على النحو التالي:

عندها سيكون تردد التذبذب للبلورة بين  411 كيلو هرتز  و  412 كيلو هرتز .