کریستال چیست؟
کریستال‌ها یکی از مهم‌ترین و پر استفاده ترین قطعات در صنعت الکترونیک هستند که وقتی به آنها ولتاژ داده می‌شود، با فرکانسی مشخص به ارتعاش درمی‌آید و به این صورت سیگنال الکتریکی را به ارتعاشات مکانیکی تبدیل می‌کند. این ارتعاش‌ها، بسیار دقیق هستند و به همین علت ما در خروجی سیگنال الکتریکی بسیار دقیقی را نیز مشاهده می‌کنیم. به عبارت دیگر، تولید سیگنال الکتریکی با فرکانس بسیار دقیق وظیفه کریستال است.
وظیفه کریستال در مدارات
کریستال در مداراتی که دارای میکروکنترلر (icها حافظه، icهای کنترل کننده) هستند وجود دارند. از آنجایی که کلاک‌ها سرعت اجرای دستورالعمل‌ها را در پردازنده دارند، زمان لازم جهت تبدیل آنالوگ به دیجیتال و غیره را تعیین میکنند؛ هر میکروکنترلر برای فعالیت خود به آنها احتیاج دارد.
به همین دلیل کریستال را می‌توان پالس ساعت دانست که جهت تولید نوسانات خاص برای ایجاد هماهنگی میان قطعات مدار استفاده می‌شود. همچنین می‌توان آن را قلب مدار دانست که تمامی عملیات بر اساس فرکانس تولیدی آن تنظیم می‌شوند. واحد کریستال‌ها می‌تواند بر اساس هرتز، مگا هرتز یا کیلوهرتز باشد.
ساختار کریستال
جنس کریستال‌ها از سیلیس است که به دو صورت کریستالی و غیر کریستالی در سطح زمین یافت می‌شود. بین دو صفحه فلزی ماده شفاف کریستال کوارتز وجود دارد. اعمال ولتاژ به کریستال موجب تغییر شکل و ارتعاش کریستال کوارتز داخلی می‌شود و این امر به دلیل همان ارتعاشات و قوانین تشدید که در بالا به آن اشاره شد انجام می‌گیرد.
نوسان ساز (اسیلاتور) کریستالی
یک اسیلاتور کریستالی یک مدار نوسان ساز الکترونیکی است که از تشدید مکانیکی یک کریستال ارتعاشی از مواد پیزوالکتریک برای ایجاد یک سیگنال الکتریکی با فرکانس ثابت استفاده می کند. این فرکانس اغلب برای ردیابی زمان، مانند ساعت های مچی کوارتز، برای ارائه یک سیگنال ساعت پایدار برای مدارهای مجتمع دیجیتال، و برای تثبیت فرکانس برای فرستنده ها و گیرنده های رادیویی استفاده می شود.
متداول ترین نوع تشدید کننده پیزوالکتریک مورد استفاده کریستال کوارتز است، بنابراین مدارهای نوسانگر که آنها را در خود جای داده اند به عنوان نوسانگرهای کریستالی شناخته می شوند. با این حال، سایر مواد پیزوالکتریک از جمله سرامیک های پلی کریستالی در مدارهای مشابه استفاده می شود.
یک نوسان ساز یا اسیلاتور کریستالی به تغییر جزئی شکل کریستال کوارتز تحت میدان الکتریکی متکی است، خاصیتی که به نام الکترواستریکشن یا پیزوالکتریک معکوس شناخته می شود. ولتاژ اعمال شده به الکترودهای روی کریستال باعث تغییر شکل آن می شود. هنگامی که ولتاژ حذف می شود، کریستال ولتاژ کوچکی تولید می کند؛ زیرا به شکل کشسانی به شکل اولیه خود باز می گردد.
کوارتز در یک فرکانس تشدید پایدار نوسان می کند، مانند یک مدار RLC عمل می کند، اما با ضریب Q بسیار بالاتر (اتلاف انرژی کمتر در هر چرخه نوسان). هنگامی که یک کریستال کوارتز به فرکانس خاصی تنظیم می شود (که تحت تأثیر جرم الکترودهای متصل به کریستال، جهت گیری کریستال، دما و سایر عوامل قرار می گیرد)، آن فرکانس را با پایداری بالا حفظ می کند.
یک نوسان ساز (اسیلاتور) کریستالی یک مدار نوسان ساز الکترونیکی است که از یک تشدید کننده پیزوالکتریک، یک کریستال، به عنوان عنصر تعیین کننده فرکانس خود استفاده می کند. کریستال اصطلاح رایجی است که در الکترونیک برای جزء تعیین کننده فرکانس، ویفری از کریستال کوارتز یا سرامیک با الکترودهای متصل به آن استفاده می شود. اصطلاح دقیق تر برای آن تشدید کننده پیزوالکتریک است. از کریستال ها در انواع دیگر مدارهای الکترونیکی مانند فیلترهای کریستالی نیز استفاده می شود.
اسیلاتورها مدارات الکترونیکی هستند که می‌توانند یک موج متناوب پیوسته را در فرکانس خاصی تولید کنند.
یک اسیلاتور LC ورودی DC را به خروجی AC تبدیل می‌کند. این موج خروجی می‌تواند شکل‌‌‌ها و فرکانس‌‌‌های متفاوتی داشته باشد و حتی از ترکیبی از اشکال به وجود آمده باشد.
اسیلاتورها در بسیاری از دستگاه‌‌‌ها برای تولید موج سینوسی، مربعی، دندان اره ای یا مثلثی به کار می‌روند. اسیلاتورهای LC به طور گسترده در مدارات RF به کار می‌روند چرا که مشخصه نویز فاز قابل قبولی دارند و به راحتی قابل پیاده سازی هستند.
یک اسیلتور به صورت پایه یک تقویت کننده می‌باشد که دارای فیدبک مثبت است (فیدبک با موج ورودی هم فاز است) یکی از مشکلات اصلی در طراحی مدارات الکترونیکی این است که چگونه می‌توان نوسان تقویت کننده‌‌‌ها را متوقف نمود اما در عین حال اسیلاتورها را به نوسان درآورد.
اسیلاتورها به این دلیل نوسان میکنند که بر افت مدار فیدبک رزوناتورشان غلبه کرده‌‌اند. این مدارات یا از خازن یا از سلف و یا از هر دو این المان‌‌‌ها استفاده میکنند و جریان DC با فرکانس دلخواه به این مدار رزوناتور اعمال می‌شود. به عبارتی دیگر، یک اسیلاتور یک توقیت کننده است که از فیدبک مثبت برای ساخت فرکانس خارجی بدون نیاز به سیگنال ورودی استفاده می‌کند.
بنابراین، اسیلاتورها مداراتی خود نگه دارنده هستند که یک خروجی متناوب را تولید میکنند. بنابراین، برای اینکه هر مدار الکترونیکی به عنوان اسیلتور عمل کند باید دارای ۳ مشخصه زیر باشد:
- تقویت کنندگی
- فیدبک مثبت
- فرکانسی که شبکه فیدبک تعیین می‌کند
یک اسیلاتور دارای تقویت‌کننده فیدبک سیگنال کوچک است و بهره حلقه باز دارد که برابر یا کمی بزرگ تر از یک می‌باشد تا نوسان آغاز شود اما برای ادامه نوسان میانگین بهره حلقه باید حتما برابر با یک باشد. در ضمن، علاوه بر استفاده از خازن و سلف، به یک المان تقویت کننده مانند تقویت کننده عملیاتی یا ترانزیستور دو قطبی نیز نیاز می‌باشد.
بر خلاف تقویت کننده، در این جا به هیچ ورودی خارجی AC نیاز نیست چرا که جریان DC توسط اسیلاتور به جریان AC با فرکانس دلخواه تبدیل می‌شود.
