کریستال های کوارتز تشدید کننده هایی هستند که به طور وسیعی در صنایع الکترونیک مورد استفاده قرار می گیرد که به عنوان تکنولوژی ارزان قیمت، عملکرد موثری در اسیلاتورها و فیلترها دارند.
امروزه کریستال های کوارتز به عنوان مدارات تنظیم کننده با کیفیت بالا و یا تشدید کننده (رزوناتور) در مدارات الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرند. بر خلاف عملکرد خوبی که دارند، تولید آنها ارزان قیمت است و استفاده های زیادی در کاربردهای مختلف یافته اند مانند مدارات کلاک اسیلاتور در بوردهای میکروپروسسورها، عنصر زمان بندی در ساعت های دیجیتال و همچنین بطور مرسوم در کاربردهای رادیو فرکانسی مورد استفاده قرار می گیرند؛ که در همه ی این موارد می توانند به عنوان تشدید کننده در اسیلاتورهای بسیار پایدار با عملکرد بالا مورد استفاده قرار می گیرند.
تشدید کننده های کریستال کوارتز، همان طور که از نام آن ها پیداست از جنس کوارتز هستند که فرم خاصی از سیلیکون طبیعی هستند، گرچه بسیاری از آنها که در کاربردهای الکترونیکی استفاده می شوند به طور مصنوعی در کارخانه ها ساخته می شوند.
امروزه تشدید کننده های کریستال کوارتز در ابعاد و فرم های مختلف جهت رفع نیازهای کاربردی موجود هستند، از قطعات نصب سطحی تا کریستال هایی که برای نصب به سوراخ های بزرگترمانند سوراخ های سوکت نیاز دارند.
مبانی کریستال کوارتز
تکنولوژی تشدید کننده ی کریستال کوارتز بر اساس خواص عملکردی قابل توجه آن است، هنگامی که کریستال کوارتز در یک مدار الکترونیکی قرار می گیرد مانند یک مدار تنظیم کننده عمل می کند که ضریب کیفیت (Q) فوق العاده بالایی دارد. مدارات تنظیم کننده ی LC معمول اگر به دقت طراحی و ساخته شوند ضریب کیفیتی در حدود چند صد خواهند داشت در حالی این مقدار در کریستال های کوارتز بیش از 100000 است.
علاوه بر ضریب کیفیت، تکنولوژی کریستال مزیت های دیگری نیز دارد، آن ها نسبت به زمان و دما بسیار پایدار هستند. بسیاری از کریستال ها ویزگی هایی را که در ادامه خواهیم گفت به طور مشخص دارند: جرم مولی این مواد در حدود ±5 ppmبا افزایش یک سال به عمرشان متغیر است و همچنین در محدوده ی دمایی بین 0 تا 60 درجه ی سلسیوس به اندازه ی ±30 ppm تغییر می کنند.
یک کریستال از کوارتز طبیعی
کاربردهای کریستال کوارتز
کریستال های کواتز به طور کلی دو کاربرد اصلی دارند، یکی به عنوان المان رزونانس در اسیلاتورها به کار می روند و دیگری استفاده از آنها در فیلترها است. در هر دوی این کاربردها دلیل عملکرد بسیار خوب آن ها، ضریب کیفیت (Q) بسیار بالای آن ها می باشد.
اسیلاتورها:
ضریب کیفیت بالای کریستال کوارتز در اسیلاتورها به این معنی است که این قطعات به عنوان المان رزونانس با پایداری بالا مورد استفاده قرار می گیرند. گزینه های متعددی برای استفاده از کریستال کوارتز در این مورد وجود دارد که به محدودیت های هزینه ای و نیازمندی های عملکردی بستگی دارد.
1- اسیلاتور کریستال کوارتز اصلی:
تشدید کننده های کوارتز می توانند به سادگی مستقیما داخل مدار یک نوسان ساز استفاده شوند. از آنجایی که تشدید کنده های اصلی کوارتز نسبتا ارزان هستند معمولا در کاربردهایی استفاده می شوند که به عنوان تشدید کننده درون کلاک اسیلاتور میکروپروسسورها به کار می روند. به طور کلی الزامات مورد نیاز برای دقت این اسیلاتورها بیش از حد زیاد نیست، بنابراین با استفاده از کریستال کوارتز می توان قیمت تمام شده را پائین نگه داشت. در این مورد استفاده از کریستال کوارتز از بسیاری راه حل های دیگر، که به خوبی کریستال کوارتز هم عمل نمی کنند، ارزان تر می باشد. به وضوح می بینیم که اسیلاتورهای کریستالی مستقیم در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار می گیرند.
2- VCXO:
در برخی موارد ممکن است به کمی تغییر در فرکانس اسیلاتور نیاز داشته باشیم. ساختن یک اسیلاتورکریستالی با فرکانس متغیر نسبتا آسان است. این مدارات سرراست هستند و عموما شامل یک منبع ولتاژ متغیر جهت راه اندازی یک دیود ورکتور در مدار کریستال می باشند. کمی تغییر در راکتانس دیود ورکتور موجب تغییر در فرکانس کلی تشدید در کریستال و مدار مرتبط با آن می شود. با توجه به ضریب کیفیت (Q) بالای تشدید کننده ی کریستالی، تغییرات نسبتا کوچک فرکانسی نیز ممکن و قابل دست یابی هستند. هم می توانیم این مدارات را بسازیم و هم این که به صورت ماژول های تجاری موجود هستند.
3- TCXO:
یکی از علل اصلی تغییر فرکانس در اسیلاتورهای کریستالی تغییرات دمایی است. وقتی به پایداری فرکانسی بیشتر از آن چه توسط اسیلاتورهای استاندارد تامین می شود، نیاز داریم اسیلاتور TCXO) temperature compensated crystal oscillator) یکی از گزینه ها می باشد. همان طور که از نام این اسیلاتور مشخص است برای جبران تغییرات دمایی استفاده می شود.
4- OCXO:
وقتی به سطوح بالای پایداری دمایی نیاز داریم بهترین گزینه استفاده از اسیلاتور OCXO است (oven controlled crystal oscillator). این فرم از اسیلاتور کریستالی، کریستال و مدار مرتبط با آن را حتی در دمای کوره نیز کنترل می کند. در چنین کاربردهایی در حالی که اسیلاتور در حال کار کردن است، دماهایی بالاتر از دمای محیط داریم و دما در یک مقدار ثابت نگه داشته می شود. هر تغییر در دمای محیط روی آن ها اثر بسیار کمی دارد.
فیلترها:
کاربرد اصلی دیگر تشدید کننده های کریستال کوارتز استفاده از آن ها درون فیلترها است. بطوری که تشدید کننده در مداری استفاده می شود که سیگنال های مطلوب را عبور داده و مانع از عبور سیگنال های ناخواسته می شود. مقادیر بالای ضریب کیفیت (Q) قابل دسترس با استفاده از کوارتز، به این معنی است که این فیلترها دارای عملکرد بسیار مطلوبی هستند.
فیلترهای کریستال کوارتز می تواند تنها شامل یک کریستال باشد، ولی فیلترهای پیچیده تر که عملکرد بهتری دارند، ممکن است از 6 و یا حتی 8 کریستال ساخته شده باشند. با توجه به این که طراحی این فیلترها پیچیده است، اغلب به صورت ماژول های فیلتر موجود هستند. اگر چه بسیاری از آنها توسط سازندگان و طراحان نهایی ساخته می شود.
مزایا و معایب کریستال کوارتز
تکنولوژی کریستال کوارتز مزیت های زیادی دارد، در مقابل نکاتی وجود دارد که هنگام استفاده می تواند به عنوان معایب در نظر گرفته شود:
مزایا:
ضریب کیفیت بالای تشدید کننده: ضریب کیفیت کریستال کوارتز بسیار بالا است که این مسئله باعث ایجاد چندین مزیت می شود:
– ایجاد سیگنال های بسیار پایدار هنگامی که به عنوان
– نویز فاز پائین هنگام استفاده به عنوان اسیلاتور
– هنگام استفاده به عنوان فیلتر قدرت انتخاب بالایی داریم.
قیمت پائین: کریستال های اصلی با قیمت های بسیار مناسب موجود هستند. هنگامی که از آنها به عنوان رزوناتور استفاده می شود، می توانیم کلاک ارزان تری داشته باشیم.
معایب:
سایز:رفتار نوسانی کریستال بر مبنای ارتعاشات مکانیکی آن می باشد، از این رو اندازه ی آن را نمی توان به راحتی کاهش داد و ممکن است در مقایسه با قطعات SMYT بزرگ به نظر برسد. این قطعات که به آن ها کریستال های تکنولوژی نصب سطحی جدید (new surface mount technology crystals) نیز گفته می شود، اکنون بصورت پکیج های بسیار کوچک موجود و در دسترس هستند.
لحیم کاری: با توجه به نحوه ی عملکرد کریستال ها، لحیم کاری این قطعات باید با ملاحظاتی نسبت به حداکثر دمای مجاز و تعداد دفعات لحیم کاری صورت گیرد.
فرکانس ثابت: یک کریستال دارای فرکانس رزونانس طبیعی است، گرچه این مورد می تواند به عنوان یک مزیت در نظر گرفته شود. با یک بار انتخاب و ساخته شدن دیگر نمی توان آن را تغییر داد، البته به میزان بسیار کم این فرکانس قابل تغییر است.
نحوه ی ساخت تشدید کننده های کریستال کوارتز
تشدید کننده های کریستال کوارتز از کریستال های دست ساز بزرگ تولید می شوند که طول آن ها عموما به اندازه ی چندین اینچ است. قطر آن حدود 2 اینچ است و سطح مقطع آن به صورت شش ضلعی است. کریستال های کوارتز تکی با استفاده از اره های الماسی از کریستال بزرگ بریده می شوند. استفاده از الماس جهت برش به دلیل سختی و استحکام کوارتز است. زاویه ی برش نسبت به محورهای کریستال اصلی باید به دقت تعیین شود جهت اطمینان از این که کریستال نهایی خواص اصلی خودش را حفظ کند. قطعه ای که در اثر برش ایجاد می شود به فرم دیسک و به اندازه ی یک سکه ی کوچک هستند، گرچه این اندازه ها با توجه به فرکانس نهایی تغییر می کند. هنگامی که قطعه بریده می شود، لبه های آن بوسیله ی نوعی خمیر صیقل داده می شود تا به اندازه ی دلخواه برسد. به طور عادی خمیر صیقل شامل کاربید سیلیکون یا اکسید آلومینیوم است. مرحله ی نهایی آماده سازی معمولا شامل فرایندهای شیمیایی است که قطعه را جهت استفاده فعال می کند.
مرحله ی بعد شامل نصب پایه های کریستال کوارتز می باشد، اتصالاتی از جنس طلا یا نقره به صورت شیمیایی در هر دو سمت قطعه قرار می گیرد. مقدار فلز به کار رفته در این مرحله، میتواند جهت تنظیم فرکانس عملکرد نهایی استفاده شود. در نهایت کریستال داخل پوشش فلزی یا شیشه ای قرار می گیرد. در این پوشش یا خلآ ایجاد شده یا توسط یک گاز بی اثر پر می شود تا از اکسید شدن و فرایند کهنه شدن جلوگیری به عمل آید.
تعیین تشدید کننده ی کریستال کوارتز مناسب
هنگام انتخاب یک تشدید کنده ی کریستال کوارتز پارامترهای زیادی وجود دارد که باید تعیین شوند، بعضی از آن ها ساده هستند مانند میزان تلورانس. ولی برخی دیگر نیاز به تفسیر بیشتر دارند. یکی از این موارد نوع رزونانس است. مانند هر مدار تنظیم دیگری کریستال هم می تواند فرم های رزونانس سری یا موازی داشته باشد که باید مشخص شود.اگر کریستال رزونانس موازی داشته باشد، حتما باید برای آن یک خازن در نظر بگیریم. این اقدام ضروری به نظر می رسد زیرا هر ظرفیت خازنی در مقابل کریستال اندکی رزونانس آن را تغییر خواهد داد. به طور معمول این مقدار حدود 30 پیکو فاراد در نظر گرفته می شود ولی اصولا انتخاب خازن به مدار مورد استفاده بستگی دارد. همچنین تلورانس مورد نیاز باید تعیین شود، تلورانس دقیق تر منجر به استفاده از کریستال گران تر می شود. پس عاقلانه تر این است که در مورد تعیین پارامترها به اندازه ای که لازم است و نه بیش از اندازه دقت کنیم.
تشدید کنده های کریستال کوارتز به طور وسیعی در صنایع الکترونیک مورد استفاده قرار می گیرند. آن ها در اسیلاتورها و فیلترهای کریستالی که عملکرد بسیار خوبی دارند، استفاده می شوند.علاوه بر آن، در اسیلاتورهای کریستالی مورد استفاده در کلاک بورد میکروپروسسورها، مشخصات تلورانسی با هزینه های پائینی به کار رفته است که باعث می شود از آن ها به عنوان المان های تشدید کننده ی ارزان استفاده شود. بنابراین تشدید کننده های کریستال کوارتز در مقابل هزینه ی ساخت آن ها، عملکرد بسیار خوبی ارائه می دهند.
عملکرد کریستال کوارتز
کریستال های کوارتز سیگنال های الکتریکی را به نوسانات مکانیکی در داخل کریستال تبدیل می کند و مجددا این نوسانات را به دامنه ی سیگنال های الکتریکی موثر بر مدارات تبدیل میکند.
عملکرد کریستال های کوارتز به پدیده ی پیزو الکتریک (piezo-electric effect) وابسته است. تئوری نشان می دهد که پالس های الکتریکی از فرم الکتریکی به ارتعاشات مکانیکی تبدیل می شوند، این ارتعاشات توسط رزونانس های مکانیکی کریستال کوارتز تحت تاثیر قرار می گیرند و مجددا به سیستم الکتریکی بازگشته و تلفات بسیار پائینی ازخود نشان می دهند و همان گونه که تئوری نشان میدهد این بدین معناست که قابلیت انتخاب و یا ضریب کیفیت (Q) آن به شدت بالا است.
پدیده ی پیزو الکتریک
پدیده ی پیزو الکتریک کلید تئوری و عملکرد کریستال کوارتز است. این پدیده در تعدادی از مواد طبیعی و همچنین مواد سنتز شده رخ می دهد، و به وضوح در کوارتز و تعدادی از مواد سرامیکی مورد استفاده در صنایع الکترونیک مانند مواد آلی نیز رخ میدهد. این پدیده به طرق مختلف در صنایع الکتریکی و الکترونیکی به کار می رود. نه تنها در قطعات تشدید کننده بلکه در مبدل های الکتریکی نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
وقتی پدیده ی پیزو الکتریک اتفاق می افتد، یک تنش مکانیکی در ماده ی جامد مورد نظر باعث ایجاد یک میدان الکتریکی درون آن می شود. این پدیده تنش های مکانیکی درون کریستال را به ولتاژ تبدیل می کند و یا به طور برعکس ولتاژ را به ارتعاشات مکانیکی تبدیل می کند. یعنی تنش مکانیکی موجب ایجاد میدان الکتریکی درون ماده شده و همچنین ایجاد میدان الکتریکی درون ماده باعث بروز ارتعاشات می شود.
پدیده ی پیزو الکتریک مبنای تئوری و عملکرد کریستال های کوارتز می باشد.
عملکرد کریستال های کوارتز اصلی
در رابطه با عملکرد کریستال کوارتز به این نتیجه رسیده اند که پدیده ی پیزو الکتریک ایمپالس های الکتریکی را به ارتعاشات الکتریکی تبدیل می کند که منجر به رزونانس های مکانیکی کریستال با ضریب کیفیت بالا می شود، که این به نوبه ی خود به مدار الکتریکی برگشت داده می شود.
کریستال کوارتز به چندین طریق می تواند مرتعش شود، و این بدین معناست که می تواند رزونانس های مختلف در فرکانس های مختلف داشته باشد. خوشبختانه روش برش کوارتز از کریستال اصلی خودش می تواند به طور قابل ملاحظه ای این مسئله را کاهش دهد. در واقع زاویه ی برش نسبت به محورهای کریستال اصلی بسیاری از ویژگی ها را تعیین می کند، به طوری که کریستال بریده شده متناسب با کاری که انجام می دهد، ضریب کیفیت (Q) و دمای کاریش مرتعش شود. کریستال می تواند از سه طریق کلی مرتعش شود: روش طولی، روش برش فرکانس پائین، و برش فرکانس بالا. برشی که به عنوان برش AT در اکثر کریستال های مورد استفاده در رادیوهای قدیمی و مدارات الکترونیکی استفاده می شود، برش فرکانس بالا است.
مدهای ارتعاشی یک تشدید کننده ی کریستال کوارتز
(جهت وضوح بیشتر، ارتعاشات به شدت بزرگ نمایی شده اند)
مدار معادل تشدید کنده ی کریستال کوارتز
جهت تجزیه و تحلیل پاسخ الکتریکی یک تشدید کنده ی کریستال کوارتز، روش مفیدی که اغلب به کار می رود این است که به صورت قطعات الکتریکی معادلی که می تواند جایگزین آن شوند، ترسیم شود. این مدار معادل می تواند جهت تحلیل پاسخ و پیشگویی عملکر کریستال به کار رود.
مدار معادلی که در ادامه نشان داده شده است، به عنوان مدل کریستال 4 پارامتری شناخته می شود و برای بسیاری از محاسبات و نشان دادن عملکرد کریستال مناسب می باشد.
مدار معادل کریستال کوارتز
این امکان وجود دارد که اجزای تشکیل دهنده ی تئوریک این مدار با خواص فیزیکی کریستال معادل در نظر گرفته شود:
– L : اندوکتانس ناشی از مقدار ماده می شود.
– C1 : این ظرفیت خازنی ناشی از انطباق کریستال است.
– R : این المان ناشی از تلفات موجود در سیستم است، که بیشترین آن مربوط به اصطکاک ناشی از ارتعاشات مکانیکی کریستال است.
– C0 : این خازن در مدار معادل تئوریک کریستال کوارتز ناشی از ظرفیت خازنی بین الکترودهای کریستال می باشد، که معمولا به صورت یک خازن موازی نشان داده می شود.
غیر از استفاده در اسیلاتورها، کریستال های کوارتز در فیلترها نیز به کار می روند. در این مورد سطوحی از عملکرد را ارائه می دهند که در فرم های دیگر فیلتر قابل دستیابی نیست. اغلب ممکن است که چندین کریستال برای رسیدن به عملکرد دلخواه در یک فیلتر استفاده شود.
رزونانس سری و موازی کریستال
به طور کلی دو مد عملکردی در مورد اسیلاتورهای کریستالی وجود دارد، که می توان از روی دیاگرام مدار معادل آن را دید.
رزونانس سری : در این حالت شرایط رزونانس به وسیله ی ارتباط سری سلف و خازن ایجاد می شود، در فرکانس رزونانس (fs) ، راکتانس خازنی و سلفی یکدیگر را خنثی می کنند و مقدار امپدانس به کمترین مقدار خود می رسد که مساوی با مقاومت موجود در مدار است.
در این حالت تاثیر مدار خارجی بر رزونانس کریستال بسیار کم است.
رزونانس موازی: : در این حالت شرایط رزونانس حاصل ارتباط موازی سلف و خازن است. در فرکانس رزونانس امپدانس مدار به بیشترین مقدار خود می رسد. فرکانس رزونانس در این حالت (fp) ناشی از ترکیب سلف با هر دو ظرفیت خازنی موجود در مدار است:
هنگام عملکرد این مدار مشاهده می شود که هر ظرفیت خازنی که توسط مدار خارجی به کریستال اعمال شود بر فرکانس رزونانس آن تاثیر می گذارد. در نتیجه ظرفیت خازنی باربخشی از مشخصات عملکردی کریستال می شود. در محاسبات طراحی اسیلاتور باید مقدار خازن بار به نحو مناسبی برای کریستال در نظر گرفته شود. تغییر ظرفیت خازنی بار می تواند فرکانس کریستال را اصلاح کند تا بتوانیم دقیقا به فرکانس دلخواه برسیم. به طور معمول می توان یک خازن تریمر متغیر را جهت تعیین ظرفیت خازنی مورد نظر دربار، به مدار اضافه نمود.
گاهی مواقع مد رزونانس موازی به اسم “فرکانس ضد رزونانس” کریستال نیز نامیده می شود، زیرا دراین حالت امپدانس مدار به حداکثر مقدار خود میرسد.
تشدید کننده های کریستال کوارتز می توانند در هر دو مد سری و موازی کار کنند. در حقیقت اختلاف بین فرکانس های رزونانس سری و موازی بسیار کوچک است و چیزی در حدود 1 درصد با یکدگیر تفاوت دارند.
مشخصات امپدانسی تشدید کننده ی کریستال کوارتز
در بین این مدهای عملکردی مد موازی عمدتا بیشتر استفاده می شود، ولی هر دو مد در مدار اسیلاتورها استفاده می شود. رفتار مدار اسیلاتورها در مدهای مختلف به طور طبیعی متفاوت است، به عنوان مثال یک اسیلاتور زمانی که امپدانس مدار حداکثر می شود کار می کند و اسیلاتور دیگر هنگامی که امپدانس کمترین مقدار را دارد کار می کند.
عملکرد فرکانس فرعی
علاوه بر عملکرد کریستال در فرکانس اصلی، می تواند در یک فرکانس فرعی نیز کار کند.
در یک برش AT کریستال کوارتز، فرکانس های فرعی نزدیک به فرکانس های اصلی هستند. در حقیقت فرکانس های فرعی به فرکانس اصلی سری نزدیک تر هستند.
باید بدانیم که کریستال ها مدهای عملکرد فرکانسی بسیار زیادی دارند که می توانند اعمال شوند، این مدها ناخواسته هستند و می توانند کمتر یا بیشتر توسط مدارات مختلف تحریک شوند. هنگام استفاده از کریستال ها در مدارات دیجیتال باید مراقب باشیم که مدهای فرکانسی ناخواسته، برخلاف انتظار مد غالب مدار نشوند. این مدهای ناخواسته را با تنظیمات مناسب مناسب می توان سرکوب نمود.
کاربردهای اصلی کریستال های فرکانس فرعی در فرکانس های بالاتر از 10 مگا هرتز است. در این حالت معمولا کریستال ازقسمت برش ضخیم تر مرتعش می شود و از این رو کریستال می تواند هم در فرکانس اصلی و هم در فرکانس های فرعی تحریک شود. ثابت شده است که ظرفیت خازنی حرکتی (C1n) در یک کریستال فرکانس فرعی افزایش می یابد. این مسئله از یک قانون تقریبی پیروی می کند که ظرفیت خازنی nامین فرکانس فرعی برابر است با ظرفیت خازنی فرکانس اصلی تقسیم بر مجذور شماره ی فرکانس فرعی.
کشیدن کریستال های کوارتز
در بعضی موارد لازم است که بتوانیم فرکانس رزونانس کریستال را بکشیم. این مسئله هنگامی که کریستال در مد عملکرد موازی است توسط یک مدار خارجی قابل دست یابی است.( در حالت سری بسیار راحت تر قابل انجام است)
یک ضریب که معمولا به عنوان ضریب کشش کریستال نامیده میشود، جهت تعیین میزان کشش یا تغییر فرکانس با استفاده از قطعات خارجی می تواند محاسبه شود:
این فرمول میزان حساسیت کریستال نسبت به تغییرات در مدار خارجی را نشان می دهد. به عنوان مثال در کریستال های برش AT که در فرکانس های اصلی بالاتر از 10 مگاهرتز کار می کنند این عدد می تواند حدود 200 باشد.
این فرمول در کریستال هایی که در فرکانس اصلی کار می کنند صدق می کند، ولی این نسبت در کریستال هایی که در یک فرکانس فرعی فعال هستند به نسبت مجذور شماره ی فرکانس فرعی، افزایش می یابد.
ضریب کیفیت (Q) کریستال
ضریب کیفیت یا (Q) یکی از جنبه های مهم در رزونانس کریستال کوارتز است. کریستال ها معمولا مقادیر بالایی از Q در حدود 100000 دارند.
محاسبه ی مقدار Q جهت تعیین محدودیت ها و طراحی ویژگی های مداری که باید کریستال در آن کار کند، ضروری است.
یک فرمول ساده جهت محاسبه ی مقدار Q در یک کریستال به صورت زیر است:
همان طور که از فرمول بالا مشاهده می شود، میزان ظرفیت خازنی سری اثر زیادی بر مقدار ضریب کیفیت دارد. در یک فرکانس، افزایش ظرفیت خازنی به طور مستقیم باعث کاهش ضریب کیفیت می شود.