Oscillateurs à cristal
Chaque fois qu'un oscillateur est en fonctionnement continu, son frequency stabilityest affecté. Il se produit des changements dans sa fréquence. Les principaux facteurs qui affectent la fréquence d'un oscillateur sont
- Variations d'alimentation
- Changements de température
- Modifications de la résistance de charge ou de sortie
Dans les oscillateurs RC et LC, les valeurs de résistance, de capacité et d'inductance varient avec la température et, par conséquent, la fréquence est affectée. Afin d'éviter ce problème, les cristaux piézoélectriques sont utilisés dans les oscillateurs.
L'utilisation de cristaux piézoélectriques dans des circuits résonants parallèles offre une stabilité à haute fréquence dans les oscillateurs. Ces oscillateurs sont appelésCrystal Oscillators.
Oscillateurs à cristal
Le principe des oscillateurs à cristal dépend de la Piezo electric effect. La forme naturelle d'un cristal est hexagonale. Lorsqu'une tranche de cristal est perpendiculaire à l'axe X, elle est appelée coupe X et lorsqu'elle est coupée le long de l'axe Y, elle est appelée coupe Y.
Le cristal utilisé dans l'oscillateur à cristal présente une propriété appelée propriété piézoélectrique. Alors, ayons une idée sur l'effet piézoélectrique.
Effet électrique piézo
Le cristal présente la propriété que lorsqu'une contrainte mécanique est appliquée sur l'une des faces du cristal, une différence de potentiel se développe sur les faces opposées du cristal. A l'inverse, lorsqu'une différence de potentiel est appliquée sur l'une des faces, une contrainte mécanique est produite le long des autres faces. Ceci est connu commePiezo electric effect.
Certains matériaux cristallins comme le sel de Rochelle, le quartz et la tourmaline présentent un effet piézoélectrique et ces matériaux sont appelés comme Piezo electric crystals. Le quartz est le cristal piézoélectrique le plus couramment utilisé car il est peu coûteux et facilement disponible dans la nature.
Lorsqu'un cristal piézoélectrique est soumis à un potentiel alternatif approprié, il vibre mécaniquement. L'amplitude des vibrations mécaniques devient maximale lorsque la fréquence de la tension alternative est égale à la fréquence propre du cristal.
Travail d'un cristal de quartz
Afin de faire fonctionner un cristal dans un circuit électronique, le cristal est placé entre deux plaques métalliques sous la forme d'un condensateur. Quartzest le type de cristal le plus utilisé en raison de sa disponibilité et de sa forte nature tout en étant peu coûteux. La tension alternative est appliquée en parallèle au cristal.
La disposition du circuit d'un cristal de quartz sera comme indiqué ci-dessous -
Si une tension alternative est appliquée, le cristal commence à vibrer à la fréquence de la tension appliquée. Cependant, si la fréquence de la tension appliquée est rendue égale à la fréquence propre du cristal,resonancea lieu et les vibrations du cristal atteignent une valeur maximale. Cette fréquence naturelle est presque constante.
Circuit équivalent d'un cristal
Si nous essayons de représenter le cristal avec un circuit électrique équivalent, nous devons considérer deux cas, c'est-à-dire quand il vibre et quand il ne vibre pas. Les figures ci-dessous représentent respectivement le symbole et le circuit électrique équivalent d'un cristal.
Le circuit équivalent ci-dessus est constitué d'un circuit RLC série en parallèle avec une capacité C m . Lorsque le cristal monté sur la source CA ne vibre pas, il équivaut à la capacité C m . Lorsque le cristal vibre, il agit comme un circuit RLC accordé.
Fréquence de réponse
La réponse en fréquence d'un cristal est indiquée ci-dessous. Le graphique montre la réactance (X L ou X C ) en fonction de la fréquence (f). Il est évident que le cristal a deux fréquences de résonance étroitement espacées.
La première est la fréquence de résonance série (f s ), qui se produit lorsque la réactance de l'inductance (L) est égale à la réactance de la capacité C.Dans ce cas, l'impédance du circuit équivalent est égale à la résistance R et la fréquence d'oscillation est donnée par la relation,
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
Le second est la fréquence de résonance parallèle (f p ), qui se produit lorsque la réactance de la branche RLC est égale à la réactance du condensateur C m . A cette fréquence, le cristal offre une impédance très élevée au circuit externe et la fréquence d'oscillation est donnée par la relation.
$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L.C_T}} $$
Où
$$ C_T = \ frac {C C_m} {(C + C_m)} $$
La valeur de C m est généralement très grande par rapport à C. Par conséquent, la valeur de C T est approximativement égale à C et donc la fréquence de résonance série est approximativement égale à la fréquence de résonance parallèle (c'est-à-dire, f s = f p ).
Circuit d'oscillateur à cristal
Un circuit d'oscillateur à cristal peut être construit de plusieurs façons, comme un oscillateur à collecteur accordé commandé par Crystal, un oscillateur à cristal Colpitts, un oscillateur à cristal Clap, etc. transistor pierce crystal oscillatorest le plus couramment utilisé. Il s'agit du circuit qui est normalement appelé circuit oscillateur à cristal.
Le schéma de circuit suivant montre l'agencement d'un oscillateur à cristal transistor percé.
Dans ce circuit, le cristal est connecté en tant qu'élément en série dans le chemin de rétroaction du collecteur à la base. Les résistances R 1 , R 2 et R E fournissent un circuit de polarisation en courant continu stabilisé par diviseur de tension. Le condensateur C E fournit une dérivation alternative de la résistance d'émetteur et la bobine RFC (inductance de radiofréquence) fournit une polarisation continue tout en découplant tout signal alternatif sur les lignes électriques pour ne pas affecter le signal de sortie. Le condensateur de couplage C a une impédance négligeable à la fréquence de fonctionnement du circuit. Mais il bloque tout courant continu entre le collecteur et la base.
La fréquence d'oscillation du circuit est fixée par la fréquence de résonance série du cristal et sa valeur est donnée par la relation,
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
On peut noter que les variations de la tension d'alimentation, des paramètres du dispositif à transistor, etc. n'ont aucun effet sur la fréquence de fonctionnement du circuit, qui est maintenue stabilisée par le cristal.
Avantages
Les avantages de l'oscillateur à cristal sont les suivants -
- Ils ont un ordre élevé de stabilité de fréquence.
- Le facteur de qualité (Q) du cristal est très élevé.
Désavantages
Les inconvénients de l'oscillateur à cristal sont les suivants -
- Ils sont fragiles et peuvent être utilisés dans des circuits de faible puissance.
- La fréquence des oscillations ne peut pas être modifiée de manière appréciable.
Stabilité de fréquence d'un oscillateur
On s'attend à ce qu'un oscillateur maintienne sa fréquence pendant une durée plus longue sans aucune variation, de manière à avoir une sortie d'onde sinusoïdale claire plus douce pour le fonctionnement du circuit. Par conséquent, le terme stabilité de fréquence compte vraiment beaucoup, quand il s'agit d'oscillateurs, qu'ils soient sinusoïdaux ou non sinusoïdaux.
La stabilité de fréquence d'un oscillateur est définie comme la capacité de l'oscillateur à maintenir la fréquence requise constante sur un long intervalle de temps que possible. Essayons de discuter des facteurs qui affectent cette stabilité de fréquence.
Changement de point de fonctionnement
Nous avons déjà rencontré les paramètres du transistor et appris à quel point un point de fonctionnement est important. La stabilité de ce point de fonctionnement pour le transistor utilisé dans le circuit d'amplification (BJT ou FET) est d'une plus grande considération.
Le fonctionnement du dispositif actif utilisé est ajusté pour être dans la partie linéaire de ses caractéristiques. Ce point est décalé en raison des variations de température et donc la stabilité est affectée.
Variation de température
Le circuit de réservoir dans le circuit d'oscillateur contient divers composants déterminant la fréquence tels que des résistances, des condensateurs et des inductances. Tous leurs paramètres dépendent de la température. En raison du changement de température, leurs valeurs sont affectées. Cela amène le changement de fréquence du circuit oscillateur.
En raison de l'alimentation électrique
Les variations de la puissance fournie affecteront également la fréquence. Les variations d'alimentation conduisent aux variations de V cc . Cela affectera la fréquence des oscillations produites.
Pour éviter cela, le système d'alimentation régulée est mis en œuvre. Cela s'appelle en bref RPS. Les détails de l'alimentation régulée ont été clairement discutés dans la section alimentation électrique du tutoriel CIRCUITS ÉLECTRONIQUES.
Changement de charge de sortie
Les variations de la résistance de sortie ou de la charge de sortie affectent également la fréquence de l'oscillateur. Lorsqu'une charge est connectée, la résistance effective du circuit du réservoir est modifiée. En conséquence, le facteur Q du circuit accordé LC est modifié. Il en résulte un changement de la fréquence de sortie de l'oscillateur.
Modifications des capacités inter-éléments
Les capacités inter-éléments sont les capacités qui se développent dans les matériaux de jonction PN tels que les diodes et les transistors. Ceux-ci sont développés en raison de la charge présente en eux pendant leur fonctionnement.
Les condensateurs inter-éléments subissent un changement pour diverses raisons telles que la température, la tension, etc. Ce problème peut être résolu en connectant un condensateur de submersion à travers le condensateur inter-élément offensant.
Valeur de Q
La valeur de Q (facteur de qualité) doit être élevée dans les oscillateurs. La valeur de Q dans les oscillateurs accordés détermine la sélectivité. Comme ce Q est directement proportionnel à la stabilité de fréquence d'un circuit accordé, la valeur de Q doit être maintenue élevée.
La stabilité de fréquence peut être représentée mathématiquement par:
$$ S_w = d \ theta / dw $$
Où dθ est le déphasage introduit pour un petit changement de fréquence de la fréquence nominale f r . Le circuit donnant la plus grande valeur de (dθ / dw) a une fréquence d'oscillation plus stable.