نوسان‌ساز کریستال

نوسان‌ساز کریستالی (به انگلیسی: Crystal oscillator) نوعی نوسان‌ساز الکترونیکی است که از قانون تشدید (Resonance) و اثر پیزوالکتریک (Piezoelectric) در کریستال کُوارتز استفاده می‌کند. این نوسان‌ساز برای زمان‌بندی (Timing) و تولید سیگنال ساعت (Clock signal) در مدارهای الکترونیک استفاده می‌شود.

شکل الف: نمای ظاهری

یک کریستال کوارتز، یا به عبارت دقیق تر، یک رِزُوناتور کوارتز (Quartz Resonator)، به تنهایی قادر به تولید سیگنال نوسانی نیست، و برای این منظور می‌بایست در مدار مناسب قرار گیرد. این نوع رزوناتورها، دو پایه دارند. البته در بعضی موارد، علاوه بر خود کریستال، مدار لازم برای نوسان کریستال را نیز درون محفظه فلزی کریستال قرار می‌دهند. در این صورت، این نوع نوسان‌ساز کریستالی، برای تولید سیگنال نوسانی، دیگر نیازی به مدار خارجی ندارد. این نوع نوسان‌ساز کریستالی، چهار پایه دارد.

ویژگی کریستال کوارتز

کریستال پیزوالکتریک، مانند کوارتز، ویژگیِ تشدید الکترومکانیکی دارد، بسیار پایدار (با زمان و دما) است و ضریب کیفیت (Q Factor) بسیار بالایی دارد.

مدل مداری کریستال کوارتز

کریستال کوارتز با اندوکتانس L (به بزرگی صدها هانری)، خازن بسیار کوچک سری Cs (با کوچکی 0.0005 pF)، مقاومت سری r که نماینده ضریب Q که به بزرگی چند صد هزار می‌تواند باشد، و نیز ظرفیت موازی Cp (چندین پیکو فاراد) مدل می‌شود (شکل روبرو). خازن Cp نمایانگر ظرفیت الکترواستاتیک بین صفحات موازی کریستال است (Cp>> Cs).

شکل ب: مدار معادل کریستال

از آنجا که ضریب Q بزرگ است، از مقاومت r صرف‌نظر شده و امپدانس کریستال به صورت زیر بیان می‌شود:

                                                   ${\displaystyle Z(s)=\left({{\frac {1}{s\cdot C_{1}}}+s\cdot L_{1}+R_{1}}\right)||\left({\frac {1}{s\cdot C_{0}}}\right)}$

که می‌توان به فرم زیر نوشته شود :

                                                         ${\displaystyle Z(s)={\frac {s^{2}+s{\frac {R_{1}}{L_{1}}}+{\omega _{s}}^{2}}{(s\cdot C_{0})[s^{2}+s{\frac {R_{1}}{L_{1}}}+{\omega _{p}}^{2}]}}}$

از معادله بالا و از شکل مدار معادل می‌بینیم که کریستال دارای دو فرکانس تشدید است؛ تشدید سری :

                                                                  ${\displaystyle \omega _{s}={\frac {1}{\sqrt {L_{1}\cdot C_{1}}}}}$

و تشدید موازی :

                                                               ${\displaystyle \omega _{p}={\sqrt {\frac {C_{1}+C_{0}}{L_{1}\cdot C_{1}\cdot C_{0}}}}}$

منابع

مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا. «Crystal oscillator». در دانشنامهٔ ویکی‌پدیای انگلیسی. کتاب سدرا-اسمیت