क्वार्ट्ज क्रिस्टल थरथरानवाला

हमारे पिछले RC चरण शिफ्ट ऑसिलेटर और वेन ब्रिज ऑस्किलेटर ट्यूटोरियल्स में, हमें ऑस्करलेटर क्या है के बारे में उचित विचार मिलता है । एक थरथरानवाला एक यांत्रिक या इलेक्ट्रॉनिक निर्माण है जो कुछ चर के आधार पर दोलन पैदा करता है। एक उचित अच्छा थरथरानवाला स्थिर आवृत्ति पैदा करता है ।

आरसी (रेसिस्टर-कैपेसिटर) या आरएलसी (रेसिस्टर-इंडेक्टर-कैपेसिटर) ऑसिलेटर के मामले में, वे अच्छे विकल्प नहीं हैं जहां स्थिर और सटीक दोलनों की आवश्यकता होती है। तापमान परिवर्तन लोड और बिजली की आपूर्ति लाइन को प्रभावित करते हैं जो बदले में थरथरानवाला सर्किट की स्थिरता को प्रभावित करता है। आरसी और आरएलसी सर्किट के मामले में स्थिरता को एक निश्चित स्तर तक सुधारा जा सकता है, लेकिन फिर भी विशिष्ट मामलों में सुधार पर्याप्त नहीं है।

ऐसी स्थिति में, क्वार्ट्ज क्रिस्टल का उपयोग किया जाता है। क्वार्ट्ज सिलिकॉन और ऑक्सीजन परमाणुओं से बना खनिज है। यह प्रतिक्रिया करता है जब एक वोल्टेज स्रोत क्वार्ट्ज क्रिस्टल पर लागू होता है। यह एक विशेषता का उत्पादन करता है, जिसे पीजो-इलेक्ट्रिक प्रभाव के रूप में पहचाना जाता है। जब वोल्टेज स्रोत इसके पार लगाया जाता है, तो यह आकृति को बदल देगा और यांत्रिक बलों का उत्पादन करेगा, और यांत्रिक बल वापस लौट आएगा, और विद्युत चार्ज का उत्पादन करेगा।

चूंकि यह ऊर्जा को विद्युत से यांत्रिक और यांत्रिक से विद्युत में परिवर्तित करता है इसलिए इसे ट्रांसड्यूसर कहा जाता है । ये परिवर्तन बहुत स्थिर कंपन पैदा करते हैं, और पीजो-इलेक्ट्रिक प्रभाव के रूप में स्थिर दोलनों का उत्पादन करता है।

क्वार्ट्ज क्रिस्टल और इसके समतुल्य सर्किट

यह क्रिस्टल थरथरानवाला का प्रतीक है । क्वार्ट्ज क्रिस्टल दो समानांतर धातु सतहों के बीच कसकर फिट और नियंत्रित क्वार्ट्ज वेफर के पतले टुकड़े से बनाया गया है। धातुकृत सतहों को विद्युत कनेक्शन के लिए बनाया गया है, और क्वार्ट्ज भौतिक आकार और घनत्व भी मोटाई को कसकर नियंत्रित किया जाता है क्योंकि आकार और आकार में परिवर्तन सीधे प्रभाव में दोलन आवृत्ति में होता है। एक बार जब यह आकार और नियंत्रित हो जाता है, तो उत्पादित आवृत्ति तय हो जाती है, मौलिक आवृत्ति को अन्य आवृत्तियों में नहीं बदला जा सकता है। विशिष्ट क्रिस्टल के लिए इस विशिष्ट आवृत्ति को विशेषता आवृत्ति कहा जाता है ।

ऊपरी छवि में, बाएं सर्किट क्वार्ट्ज क्रिस्टल के बराबर सर्किट का प्रतिनिधित्व करता है, दाईं ओर दिखाया गया है। जैसा कि हम देख सकते हैं, 4 निष्क्रिय घटकों का उपयोग किया जाता है, दो कैपेसिटर सी 1 और सी 2 और एक इंडक्टर एल 1, रिसिस्टर आर 1। सी 1, एल 1, आर 1 श्रृंखला में जुड़ा हुआ है और सी 2 समानांतर में जुड़ा हुआ है।

श्रृंखला सर्किट जिसमें एक संधारित्र, एक रोकनेवाला और एक प्रारंभ करनेवाला होता है, क्रिस्टल के नियंत्रित व्यवहार और स्थिर संचालन का प्रतीक है और समानांतर संधारित्र, C2 सर्किट या समतुल्य क्रिस्टल के समानांतर समाई का प्रतिनिधित्व करता है।

ऑपरेटिंग आवृत्ति पर C1 इंडक्शन L1 के साथ प्रतिध्वनित होता है। इस ऑपरेटिंग आवृत्ति को क्रिस्टल श्रृंखला आवृत्ति (एफएस) के रूप में संदर्भित किया जाता है । इस श्रृंखला आवृत्ति के कारण समानांतर अनुनाद के साथ मान्यता प्राप्त एक माध्यमिक आवृत्ति बिंदु। L1 और C1 भी समानांतर संधारित्र C2 के साथ प्रतिध्वनित होते हैं। समानांतर कैपेसिटर सी 2 को अक्सर C0 के नाम के रूप में वर्णित किया जाता है और इसे क्वार्ट्ज क्रिस्टल का शंट कैपेसिटेंस कहा जाता है ।

क्रिस्टल आउटपुट प्रतिबाधा आवृत्ति के खिलाफ

यदि हम दो संधारित्रों पर प्रतिक्रिया फॉर्मूला लागू करते हैं, तो, श्रृंखला संधारित्र C1 के लिए, कैपेसिटिव अभिक्रिया निम्न होगी: -

एक्स _{सी 1} = 1 / 2π एफसी ₁

कहाँ पे, F = आवृत्ति और C1 = श्रृंखला समाई का मान।

समानांतर संधारित्र के लिए भी यही सूत्र लागू होता है, समानांतर संधारित्र की कैपेसिटिव प्रतिक्रिया होगी:

एक्स _{सी 2} = 1 / 2π एफसी ₂

यदि हम आउटपुट प्रतिबाधा बनाम आवृत्ति के बीच संबंध ग्राफ देखते हैं तो हम प्रतिबाधा में परिवर्तन देखेंगे।

ऊपरी छवि में हम क्रिस्टल थरथरानवाला के प्रतिबाधा वक्र को देखते हैं और यह भी देखते हैं कि, आवृत्ति में परिवर्तन होने पर यह ढलान कैसे बदलता है। दो बिंदु हैं एक श्रृंखला गुंजयमान आवृत्ति बिंदु है और दूसरा समानांतर अनुनाद आवृत्ति बिंदु है।

पर श्रृंखला अनुनाद आवृत्ति बिंदु प्रतिबाधा बन गया है कम से कम । श्रृंखला संधारित्र C1 और श्रृंखला Inductor L1 एक श्रृंखला प्रतिध्वनि बनाते हैं जो श्रृंखला अवरोधक के बराबर होती है।

तो, इस श्रृंखला में गुंजयमान आवृत्ति बिंदु पर, निम्नलिखित चीजें होंगी: -

अन्य आवृत्ति समय की तुलना में प्रतिबाधा न्यूनतम है।
प्रतिबाधा श्रृंखला अवरोधक के बराबर है।
इस बिंदु के नीचे क्रिस्टल एक कैपेसिटिव फॉर्म के रूप में कार्य करता है।

अगली आवृत्ति बदल जाती है और ढलान धीरे-धीरे समानांतर गुंजयमान आवृत्ति पर अधिकतम बिंदु तक बढ़ जाती है, इस समय, समानांतर गुंजयमान आवृत्ति तक पहुंचने से पहले क्रिस्टल प्रारंभ करनेवाला के रूप में क्रिस्टल अधिनियम होता है।

समानांतर आवृत्ति बिंदु तक पहुंचने के बाद प्रतिबाधा ढलान मूल्य में अधिकतम तक पहुंच जाता है। समानांतर संधारित्र C2 और श्रृंखला इंडक्टर एक LC टैंक सर्किट बनाते हैं और इस प्रकार आउटपुट प्रतिबाधा अधिक हो गई।

यह कैसे क्रिस्टल प्रारंभ करनेवाला या श्रृंखला और समानांतर अनुनाद में संधारित्र की तरह व्यवहार करता है। क्रिस्टल इस दोनों अनुनाद आवृत्तियों में काम कर सकता है लेकिन एक ही समय में नहीं। इसे संचालित करने के लिए किसी भी विशिष्ट पर ट्यून करने की आवश्यकता है।

फ्रीक्वेंसी के खिलाफ क्रिस्टल प्रतिक्रिया

इस सूत्र का उपयोग करके सर्किट की श्रृंखला अभिक्रिया को मापा जा सकता है: -

एक्स _एस = आर 2 + (एक्सएल ₁ - एक्ससी ₁) ²

जहां, R प्रतिरोध का मूल्य है

Xl1 सर्किट की श्रृंखला प्रेरण है

Xc1 सर्किट की श्रृंखला समाई है।

सर्किट की समानांतर कैपेसिटिव प्रतिक्रिया होगी: -

एक्स _सीपी = -1 / 2π एफसीपी

सर्किट की समानांतर प्रतिक्रिया होगी: -

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

यदि हम ग्राफ को देखते हैं तो यह इस तरह दिखाई देगा: -

हम ऊपरी ग्राफ में देख सकते हैं कि इस श्रृंखला गूंज के बिंदु पर श्रृंखला बाधा विपरीत सी 1 के लिए आनुपातिक है, से बिंदु पर FS को एफपी क्योंकि इस समय तक आगमनात्मक के रूप में क्रिस्टल अधिनियम, दो समानांतर समाई नगण्य हो गया है ।

दूसरी ओर, क्रिस्टल कैपेसिटिव रूप में होगा जब आवृत्ति fs और fp बिंदुओं के बाहर होती है।

हम इस दो सूत्रों का उपयोग करके श्रृंखला अनुनाद आवृत्ति और समानांतर अनुनाद आवृत्ति की गणना कर सकते हैं -

क्वार्ट्ज क्रिस्टल के लिए क्यू फैक्टर:

क्यू गुणवत्ता का संक्षिप्त रूप है । यह क्वार्ट्ज क्रिस्टल अनुनाद का एक महत्वपूर्ण पहलू है। यह क्यू कारक क्रिस्टल की आवृत्ति स्थिरता को निर्धारित करता है। सामान्य तौर पर, एक क्रिस्टल के क्यू कारक की सीमा 20, 000 से लेकर 100,000 से अधिक होती है । कभी-कभी, क्रिस्टल का Q कारक 200,000 से अधिक होता है, जो देखने योग्य भी होता है।

एक क्रिस्टल के Q कारक की गणना निम्न सूत्र का उपयोग करके की जा सकती है -

क्यू = एक्स _एल / आर = 2π एफएसएल ₁ / आर

जहाँ, X _L प्रारंभ करनेवाला अभिक्रिया है और R प्रतिरोध है ।

गणना के साथ क्वार्ट्ज क्रिस्टल थरथरानवाला उदाहरण

हम एक क्वार्ट्ज क्रिस्टल श्रृंखला गुंजयमान आवृत्ति, समानांतर गुंजयमान आवृत्ति और क्रिस्टल के गुणवत्ता कारक की गणना करेंगे, जब निम्नलिखित विकल्प उपलब्ध होंगे-

आर 1 = 6.8 आर

C1 = 0.09970pF

एल 1 = 3 एमएच

और सी 2 = 30 पीएफ

क्रिस्टल की श्रृंखला गुंजयमान आवृत्ति है -

क्रिस्टल की समानांतर गुंजयमान आवृत्ति, fp है -

अब, हम समझ सकते हैं कि श्रृंखला गुंजयमान आवृत्ति 9.20 मेगाहर्ट्ज है और समानांतर अनुनाद आवृत्ति 9.23 मेगाहर्ट्ज है

इस क्रिस्टल का Q कारक होगा-

कोलपिट्स क्रिस्टल थरथरानवाला

क्रिस्टल थरथरानवाला सर्किट द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर या FETs के विभिन्न प्रकार का उपयोग कर बनाया । ऊपरी छवि में, एक कोलपिट्स थरथरानवाला दिखाया गया है; संधारित्र वोल्टेज विभाजक के लिए प्रयोग किया जाता है प्रतिक्रिया । ट्रांजिस्टर Q1 सामान्य एमिटर कॉन्फ़िगरेशन में है। ऊपरी सर्किट में R1 और R2 का उपयोग ट्रांजिस्टर के पूर्वाग्रह के लिए किया जाता है और C1 का उपयोग बाईपास कैपेसिटर के रूप में किया जाता है जो आधार को आरएफ शोर से बचाते हैं।

इस कॉन्फ़िगरेशन में, क्रिस्टल कलेक्टर से जमीन से कनेक्शन के कारण एक शंट के रूप में कार्य करेगा । यह समानांतर गुंजयमान विन्यास में है। Capacitor C2 और C3 का उपयोग फीडबैक के लिए किया जाता है। क्रिस्टल Q2 समानांतर रेजोनेंट सर्किट के रूप में जुड़ा हुआ है।

क्रिस्टल में अतिरिक्त बिजली अपव्यय से बचने के लिए इस विन्यास में आउटपुट प्रवर्धन कम है।

पियर्स क्रिस्टल थरथरानवाला

एक अन्य विन्यास क्वार्ट्ज क्रिस्टल दोलक, जहां ट्रांजिस्टर एक करने के लिए बदल गया है में प्रयोग किया जाता JFET प्रवर्धन जहां के लिए JFET में है बहुत ही उच्च इनपुट प्रतिबाधा जब क्रिस्टल एक संधारित्र का उपयोग कर गेट को नाली में जुड़ा हुआ है ।

ऊपरी छवि में एक पियर्स क्रिस्टल थरथरानवाला सर्किट दिखाया गया है। सी 4 इस थरथरानवाला सर्किट में आवश्यक प्रतिक्रिया प्रदान करता है। यह प्रतिक्रिया सकारात्मक प्रतिक्रिया है जो गुंजयमान आवृत्ति पर 180 डिग्री चरण शिफ्ट है। R3 प्रतिक्रिया को नियंत्रित करता है और क्रिस्टल आवश्यक दोलन प्रदान करता है।

पियर्स क्रिस्टल थरथरानवाला को न्यूनतम घटकों की आवश्यकता होती है और इसके कारण यह एक बेहतर विकल्प है जहां स्थान सीमित है। डिजिटल घड़ी, टाइमर और विभिन्न प्रकार की घड़ियाँ पियर्स क्रिस्टल ऑसिलेटर सर्किट का उपयोग करती हैं । आउटपुट साइन लहर आयाम शिखर से शिखर मूल्य JFET वोल्टेज श्रेणी द्वारा सीमित है।

CMOS ऑसिलेटर

एक मूल थरथरानवाला जो समानांतर-गुंजयमान क्रिस्टल विन्यास का उपयोग करता है, उसे CMOS इन्वर्टर का उपयोग करके बनाया जा सकता है। CMOS इन्वर्टर का उपयोग आवश्यक आयाम प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है। इसमें 4049, 40106 या ट्रांजिस्टर-ट्रांजिस्टर लॉजिक (TTL) चिप 74HC2 आदि जैसे Schmitt ट्रिगर सम्मिलित हैं।

ऊपरी छवि में 74HC19N का उपयोग किया गया, जो इनवर्टिंग कॉन्फ़िगरेशन में श्मिट ट्रिगर के रूप में कार्य करता है। क्रिस्टल श्रृंखला अनुनाद आवृत्ति में आवश्यक दोलन प्रदान करेगा। R1 CMOS के लिए प्रतिक्रिया अवरोधक है और उच्च लाभ क्षमताओं के साथ उच्च क्यू कारक प्रदान करता है। दूसरा 74HC19N लोड के लिए पर्याप्त उत्पादन प्रदान करने के लिए बूस्टर है।

इन्वर्टर 180 डिग्री फेज शिफ्ट आउटपुट पर काम करते हैं और Q1, C2, C1 अतिरिक्त 180 डिग्री फेज शिफ्ट प्रदान करते हैं। दोलन प्रक्रिया के दौरान चरण की शिफ्ट हमेशा 360 डिग्री रहती है।

यह CMOS क्रिस्टल ऑसिलेटर स्क्वायर वेव आउटपुट प्रदान करता है । अधिकतम आउटपुट आवृत्ति CMOS इन्वर्टर की स्विचिंग विशेषता द्वारा तय की जाती है। कैपेसिटर मूल्य और रेजिस्टर मूल्य का उपयोग करके आउटपुट आवृत्ति को बदला जा सकता है। C1 और C2 को मूल्यों में समान होना चाहिए।

क्रिस्टल का उपयोग करके माइक्रोप्रोसेसर को घड़ी प्रदान करना

क्वार्ट्ज क्रिस्टल ऑसिलेटर के विभिन्न उपयोगों में डिजिटल घड़ियां, टाइमर आदि शामिल हैं, यह माइक्रोप्रोसेसर और सीपीयू में स्थिर दोलन घड़ी प्रदान करने के लिए भी एक उपयुक्त विकल्प है।

माइक्रोप्रोसेसर और सीपीयू को ऑपरेशन के लिए स्थिर घड़ी इनपुट की आवश्यकता होती है। इन उद्देश्यों के लिए क्वार्ट्ज क्रिस्टल का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। क्वार्ट्ज क्रिस्टल अन्य RC या LC या RLC ऑसिलेटर्स की तुलना में उच्च सटीकता और स्थिरता प्रदान करता है।

सामान्य तौर पर घड़ी की आवृत्ति का उपयोग माइक्रोकंट्रोलर के लिए किया जाता है या सीपीयू को KHz से Mhz तक ले जाया जाता है। यह घड़ी की आवृत्ति निर्धारित करती है कि प्रोसेसर कितनी तेजी से डेटा को संसाधित कर सकता है।

इस आवृत्ति को प्राप्त करने के लिए दो समान मूल्य के कैपेसिटर नेटवर्क के साथ उपयोग किए जाने वाले एक श्रृंखला क्रिस्टल का उपयोग संबंधित MCU या CPU के ऑसिलेटर इनपुट में किया जाता है।

इस छवि में, हम देख सकते हैं कि दो संधारित्र वाला एक क्रिस्टल एक नेटवर्क बनाता है और OSC1 और OSC2 इनपुट पिन के माध्यम से माइक्रोकंट्रोलर यूनिट या सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट से जुड़ा होता है। आम तौर पर सभी माइक्रोकंट्रोलर या प्रोसेसर में यह दो पिन होते हैं। कुछ मामलों में दो प्रकार के OSC पिन उपलब्ध हैं। एक घड़ी के निर्माण के लिए प्राथमिक थरथरानवाला के लिए है और दूसरे के लिए माध्यमिक थरथरानवाला है जो अन्य माध्यमिक कार्यों के लिए उपयोग किया जाता है जहां माध्यमिक घड़ी की आवृत्ति की आवश्यकता होती है। संधारित्र मूल्य 10pF से 42 pF तक होता है, लेकिन बीच में 15pF, 22pF, 33pF कुछ भी व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।