ما هو التردد الذي تتأرجح فيه البلورة ، وكيف يعمل مذبذب بلورة الكوارتز

“تتناول هذه المقالة أولاً منحنى التفاعل مقابل التردد لبلورة نموذجية. مسلحين بهذه المعرفة ، سنلقي نظرة على طوبولوجيتين مختلفتين لمذبذب ونناقش كيف تجبر بنية الدائرة البلورة على التذبذب عند تردد معين.

“

تتناول هذه المقالة أولاً منحنى التفاعل مقابل التردد لبلورة نموذجية. مسلحين بهذه المعرفة ، سنلقي نظرة على طوبولوجيتين مختلفتين لمذبذب ونناقش كيف تجبر بنية الدائرة البلورة على التذبذب عند تردد معين.

بناءً على هذه المناقشة ، سنتمكن من إلقاء نظرة على تعريفات البلورات المتوازية والمتسلسلة – وهما مصطلحان تقنيان مربكان أحيانًا.

البلورات لها ترددان طنين

تظهر الدائرة المكافئة للبلورة في الشكل 1.

الشكل 1. الصورة مجاملة من STMicroelectronics.

بناءً على هذا النموذج ، يمكننا العثور على منحنى التفاعل مقابل التردد لوحدة بلورية كوارتز نموذجية ، كما هو موضح في الشكل 2:

الشكل 2. الصورة مجاملة من Cypress.

لاكتساب نظرة ثاقبة على عمل البلورات ، دعنا نفترض أن البلورة مثالية وأن Rm لا يكاد يذكر. لذلك ، في الفرع السفلي من النموذج الكهربائي البلوري ، لدينا L m و C m على التوالي.

عندما يتردد Lm و Cm على التوالي ، فإن ممانعتهما تلغي بعضهما البعض. عند هذا التردد ، تنخفض مقاومة الفرع السفلي والمقاومة الكلية عبر البلورة إلى الصفر. يتوافق هذا مع f في الشكل 2 ، والذي يشار إليه عادةً بتردد طنين سلسلة البلورة. لاحظ أن C o لا يؤثر على قيمة هذا التردد.

أعلى بقليل من fs ، تصبح مفاعلة Lm أكبر من مفاعلة Cm ونلاحظ أن البلورة تعرض سلوكًا استقرائيًا. مفاعلة هذا المحاثة الفعالة (المجموعة المتسلسلة من Lm و Cm) تزداد مع التردد ، وعند تردد معين (fa) تصبح مساوية لمفاعل Co في النموذج البلوري. في هذه المرحلة ، لدينا بالفعل صدى LC متوازي والمقاومة الكلية للبلورة تقترب من اللانهاية. التردد fa يسمى التردد المضاد للرنين. يكون هذا التردد دائمًا أعلى من تردد الطنين التسلسلي.

في أي تردد تتأرجح البلورة؟

نرى أن البلورة لها وضعان من الرنين. في كل من fs و fa ، تكون مقاومة البلورة مقاومة. عند fs ، تكون المقاومة صغيرة ؛ ومع ذلك ، عند تردد الطنين المضاد ، تقترب المعاوقة المكافئة للبلورة من اللانهاية.

السؤال الذي يجب طرحه الآن هو ، ما هو التردد الذي ستتأرجح فيه البلورة عند استخدامها في دائرة مذبذب؟

الجواب هو أنه يعتمد على طوبولوجيا المذبذب.

عند تردد التذبذب ، يجب أن يكون كسب حلقة المذبذب مساويًا أو أكبر من 1 ، ويجب أن يكون إزاحة الطور عددًا صحيحًا مضاعفًا لـ 2π (ردود فعل إيجابية). تحدد هذه الظروف تردد تذبذب البلورة.

على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك المذبذب الموضح في الشكل 3.

الصورة 3

في هذه الحالة ، يكون إزاحة الطور لمرحلة مكبر الصوت عددًا صحيحًا مضاعفًا لـ 2π. لذلك ، عند تردد التذبذب ، يجب أن يكون إنزياح الطور الناتج عن البلورة و R1 صفرًا. يمكن تحقيق انزياح الطور الصفري هذا عند الترددات حيث تحتوي البلورة على ممانعات مقاومة بحتة (fs و fa).

في fs ، تكون مقاومة البلورة صغيرة ، لذا فإن مقسم الجهد الناتج عن البلورة و R1 له ربح أكبر ، كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه. لذلك ، مع الترتيب أعلاه ، يمكن أن تتأرجح الدائرة عند fs.

يظهر الشكل 4 طوبولوجيا مذبذب أخرى ، يشار إليها عادة باسم مذبذب شبكة بيرس.

الشكل 4. مثال على مذبذب Pierce Gate. الصورة بإذن من رامون سيردا.

باستخدام هذا الهيكل ، يوفر مكبر الصوت تحولًا في الطور بمقدار 180 درجة. لذلك ، يجب أن توفر شبكة Rs و C2 و C1 والبلورة تحولًا إضافيًا في الطور بمقدار 180 درجة لتلبية حالة مرحلة التذبذب. عندما تمر إشارة خرج مكبر الصوت عبر مسار التغذية المرتدة ، فإنها تواجه بعض تحول الطور من مزيج الكريستال و C1. يعتمد مقدار انزياح الطور على تردد الإشارة.

تحت fs ، تعمل البلورة كمكثف ويقترب إزاحة الطور لـ X1 و C1 من 0 درجة. في fs ، تتمتع البلورة بمقاومة مقاومة ويبلغ هذا التحول في الطور حوالي 90 درجة. فوق fs ، تُظهر البلورة سلوكًا استقرائيًا ويمكن أن يقترب تحول الطور من 180 درجة.

في الواقع ، يكون تغيير الطور المقدم من Rs و C2 أقل من 90 درجة ، لذا فإن الجمع بين X1 و C1 يحتاج إلى توفير أكثر من 90 درجة. هذا هو السبب في أن البلورة تحتاج إلى العمل في مكان ما في منطقتها الاستقرائية (بين fs و fa في الشكل 2).

مذبذبات الطنين المتوازية والمتسلسلة

توضح المناقشة أعلاه أن بلورة الكوارتز يمكن أن تتأرجح عند أي تردد بين تردد الطنين التسلسلي (fs) والتردد المضاد للرنين (fa) ، اعتمادًا على طوبولوجيا المذبذب.

تعمل العديد من دوائر المذبذب الشائعة ، مثل بيرس وكولبيتس ومذبذبات نمط كلاب ، على تشغيل البلورات في المنطقة الواقعة بين fs و fa. غالبًا ما يشار إلى هذه المنطقة باسم “منطقة الرنين المتوازية” ويشار إلى المذبذبات التي تجبر البلورة على العمل في هذه المنطقة باسم “مذبذبات الرنين الموازية”.

إن إجبار البلورات على تشغيل المذبذبات عند fs ليس شائعًا جدًا. تسمى هذه المذبذبات “مذبذبات الطنين التسلسلي”. الجدير بالذكر أن النقطة المضادة للرنين لا تستخدم في تصميم المذبذب.

البلورات الرنانة المتوازية والمتسلسلة

هناك نوعان من المصطلحات الفنية في صناعة البلورات يمكن أن يسببان ارتباكًا في بعض الأحيان: “بلورة رنانة متوازية” (أو بلورة متوازية) و “بلورة رنانة متسلسلة” (أو بلورة سلسلة).

البلورات المتوازية مخصصة لمذبذبات الرنين المتوازي. نظرًا لأن مذبذب الرنين الموازي يشغل البلورة في مكان ما بين fs و fa ، فإن التردد الاسمي للبلورة الموازية هو تردد ضمن هذا النطاق ، أي في “منطقة الرنين الموازية” للبلورة.

من ناحية أخرى ، فإن البلورات المتسلسلة مخصصة لاستخدامها في مذبذبات الرنين المتسلسلة. لذلك ، فإن التردد الاسمي للبلورة هو نفس تردد الطنين التسلسلي (fs).

هل هناك فرق فيزيائي بين هذين البلورتين؟

نحن نعلم أن كل بلورة لها تردد الرنين المتسلسل المحدد و “منطقة الرنين الموازية” ؛ يمكننا تشغيل بلورة معينة في أي من هذين الشرطين من الرنين. لذلك ، لا يوجد فرق في التركيب المادي للبلورات المتوازية والمتسلسلة.

يتعلق هذان المصطلحان فقط بالشرط الذي تتأرجح فيه البلورة عند ترددها الاسمي.

هل يحددون نوع طوبولوجيا المذبذب التي تصل فيها البلورة إلى ترددها الاسمي؟ هل هو مذبذب طنين متوازي أم نوع طنين متسلسل؟

سعة التحميل

تشير سعة الحمل إلى السعة الخارجية التي يجب أن “تراها” البلورة عند أطرافها. بالنسبة لمذبذبات الطنين المتسلسلة ، لا توجد مكونات تفاعلية في مسار التغذية الراجعة للمذبذب (انظر مثال المذبذب الموضح في الشكل 3). لهذا السبب ، بالنسبة للبلورات المتسلسلة ، لا تهم سعة الحمل (ولم يتم تحديدها).

ومع ذلك ، بالنسبة للبلورات المتوازية ، فإن سعة الحمل هي معلمة مهمة. في هذه الحالة ، يتم استخدام البلورة في المنطقة الاستقرائية لمنحنى مفاعلتها. أيضًا ، تشكل البلورة خزان LC مع مكثف تحميل خارجي. لذلك ، تلعب قيمة سعة الحمل دورًا رئيسيًا وتحدد تردد التذبذب.

تتم معايرة بلورة التحويل في المصنع لتتأرجح عند ترددها الاسمي عند توصيلها بسعة الحمل المحددة الخاصة بها. للوصول إلى التردد الاسمي ، يجب أن توفر لوحة التطبيق الخاصة بنا نفس سعة الحمولة.