Kristallostsillaator

4MHz kvarts kristall hermeetiliselt suletud ümbrises, kasutatakse resonaatorina(võnkujana) kristall-ostsillaatorites

Kristall-ostsillaator on elektrooniline ostsillaator, mis kasutab piesoelektrilise kristalli mehhaanilist kaasvõnkumise(resonants) võimet, et tekitada väga täpse sagedusega elektrilist signaali. Sedasorti signaali kasutatakse peamiselt stabiilse taktsageduse tekitamiseks digitaalsetes vooluringides(seal hulgas kvarts kellades ja arvutites aja hoidmiseks) ning sageduse ühtlustamiseks raadiosaatjates ja -vastuvõtjates. Kõige tihedamalt kasutuspinda leidev pieoselektriline materjal on kvarts kristall, teiste kristallide osakaal on väga väike, seetõttu mõeldakse „kristall-ostillaatori“ all tavaliselt kvartsi sisaldavat vooluringi.

Kvarts kristalle toodetakse põhiliselt sageduste jaoks vahemikus paarikümnest kilohertzist kuni mõnekümne megahertzini on loodud ka üle 1 gigahertzise võnkesagedusega kristalle, aga ainult eksperimendi käigus. Aastas toodetakse üle 2 miljardi (2×109) kristall-ostsillaatori, suurem osa nendest kasutatakse laitarbe seadmetes nagu kellad, raadiod, arvutid, mobiiltelefonid. Kvarts kristalle leidub ka testimis ja mõõdistusseadmetes, näiteks signaaligeneraatorid ja ostsilloskoobid.

Ajalugu

Mõned vanemad kristallid

Piesoelektrilised omadused teatud materjalide puhul avastati 1880. aastal Jacques ja Pierre Curie poolt. Esimese maailmasõja ajal uurisid Paul Langevin ja Constantin Chilowski kvartsi kaasvõnkumise omadusi allveelaevu tuvastava sonari väljatöötlemiseks. 1917. aastal ehitas Alexander M. Nicholson kes töötas Belli Laboratooriumites esimene kristalli sisaldava ostsillaatori, milles oli kasutusel Rochelle'i soola kristall. Neli aastat hiljem valmis Walter Guyton Cady poolt, esimene kvarst kristalli ostsillaator.

1920ndatel ja 1930ndatel arendati kvarts kristalli ostsillaatoreid kõrge stabiilsusega sageduste osutamiseks. Aastal 1926 hakati kvarts kristalle kasutama raadiolevi jaamades sageduste kontrollimiseks, need muutusid ka väga populaarseks amatöör raadio operaatorite hulgas. 1928. a. töötas Warren Marrison(Delli Laboratooriumid) välja esimese kvarts kella. See leiutis asendas spindelregulaatori ja pendli kui ajaetalonina, sellest ajast toetuti aja arvestamisel naturaalsesele vibratsioonile kvartsi kristallis, mis parandas täpsust 1 sekundi peale 30 aasta jooksul(~33ms/aastas).

Kolmekümnendatel hakkas kvarts kristallide tööstus hoogu koguma, oma jagu oli ettevõtteid, kes tootsid kristalle elektrooniliste seadmete jaoks. Kasutades praeguses mõistes väga primitiivseid meetodeid toodeti Ameerika Ühendriikides 1939. aastal umbes 100,000 kristalli. Teise maailmasõja ajal kasvas vajadus täpsete ja püsivate sagedustega sõjaväe raadioseadmete jaoks, mis omakorda ergutas kristalli tootmist.

1969. aastal tõi Jaapani kellatootja Seiko turule esimese kvarts käekella, mis ei osutunud väga populaarseks oma kalli hinna(sellel ajal oli võrde ühe Jaapani autoga) ja tehniliste probleemide tõttu. Pärast 100 eksemplari müüki võeti kell küll tootmisest maha, kuid sellegi poolest märkis kvarts käekell uue ajastu algust kristall-ostillaatorite tootmises. IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) märkis selle ära ka kui ühe olulisema ajaloolise saavutusena elektri- ja elektroonikatehnika vallas.

Tööpõhimõte

Kvarts

helihargi kujuline kristall

Kristall on tahke materjal, milles aatomid, molekulid või ioonid paiknevad regulaarse mustriga kõigis ruumi dimensioonide suunas. Peaaegu igat elastset materjali, sobivate muundurite abiga, saab kasutada kui kristalli, kuna igal objektil esineb vibreerimisel oma kindel resonantssagedus. Resonantssagedus sõltub objekti suurusest, kujust, elastsusest ja heli liikumise kiirusest materjalis. Kõrgsageduslikud kristallid, mis on põhiliselt kasutuses arvutite komponentide hulgas, lõigatakse tavaliselt kolmnurkse plaadi kujuliseks, madalasageduslikud, kasutuses digitaalsetes kellades, lõigatakse helihargi kujuliseks. Seadetes, kus ei ole tarvilik täpne ajastus, kasutatakse madalahinnalisi keraamilisi resonaatoreid kvarts kristallide asemel.

Kvarts kristalli toime ostsillaatoris põhineb piesoelektrilisel effektil: kui töödeldud kristall elektroodide abil pingestada, siis kristall muudab oma kuju elektrivälja mõjupiirkonnas. Kuju muutumine on tingitud sellest, et välise elektrivälja toimel materjalis olevad dipoolid pööravad ennast välja suunas ja seetõttu dipooldomeenide kuju muutub. Kui väli eemaldada, siis kvarts muutub tagasi oma endisesse olekusse ning selle protsessi käigus tekitab kristall enda ümber ise elektrivälja, millest on võimalik pinget genereerida. Põhimõtteliselt käitub kvarts kristall nagu vooluring, mis on ehitatud induktorist, kondensaatorist ja takistist, töötades seejuures kindlal resonantssagedusel.

Kvartsi eeliseks on ka fakt, et tema elastsuskonstantid ja mõõtmed suhtuvad temperatuuri muutumisse sellisel viisil, et sageduse sõltuvus temperatuurist võib olla väga väike. Täpsemalt sõltub see kristalli lõikenurgast ja võnkumise viisist kristallograafiliste telgede suhtes. Kriitilistes seadmetes, kus on vaja temperatuuri kõikumise mõju viia nulli lähedale, asetatakse ostsillaator konteinerisse, milles hoitakse püsivat temperatuuri. Samuti kasutatakse ka põrutusi pehmendavaid kaitseid, et vältida häireid väliste mehaaniliste vibratsioonide poolt.

Elektriline ostsillaator

Näide ühest kvarts kristalliga ostsillaatorist

Kristall-ostsillaatori vooluring säilitab oma võnkumise saades pingesignaali võnkuvalt kristallilt, seejärel pärast võimendamist saadab selle tagasi resonaatorile. Kvartsi paisumiste ja kokkutõmbumiste arv ajaühikus on resonantssagedus ja selle määrab kristalli lõige ja suurus. Kui väljund sageduse energia saab võrdseks kadudega vooluringis, alles siis saavutatakse stabiilne ostsileerimine.

Ostsillaator koosneb kahest elektrit juhtivast plaadist, mille vahele on asetatud kvarts kristalli lõik või helihark. Tööle hakkamise käigus mõjutakse kristallile vahelduvvooluga, mis on võrdlemisi „mürarikas“. Juhuslikkuse alusel on väike osa sellest mürast just kristalli resonantssagedusel ja kvarts hakkab ostsilleerima sünkroonis etteantud signaaliga. Ostsillaator ise hakkab kvartsist tulevat signaali järjest võimendama ning kristallile omane sagedusriba muutub järjest tugevamaks, lõpuks domineerides ostsillaatori väljundsignaalis. Kvartsi kristalli kitsas sagedusriba filtreerib välja kõik ebavajalikud sagedused.

Kvarts ostsillaatori väljundsagedus võib olla kas kristalli põhisagedus või siis mingi arv korda see sagedus(kutsutakse ülemtooniks). Erinevalt harmoonikust muusikas, ei korrutata kvartsi puhul täisarvuga, aga sellele väga lähedase arvuga. Kristallid alla 30MHz töötavad tavaliselt põhisagedusel, üle 30Mhz on tavaliselt kolmandas, viiendas või seitsmendas ülemtoonis(alati paaritu arv). Ülemtoone kasutatakse selle pärast, et kvartsi võnkesagedus sõltub tema paksusest ning üle 30MHz põhisagedusega kristallid muutuksid nii õhukeseks, et nende tootmine oleks väga keeruline ja kulukas. Tootjad kalibreerivad ülemtoonis kristallid vastavalt sellel ülemtoonil, mitte põhisagedusel. Näiteks, kui on 30MHz kvarts, mis on kolmandas ületoonis, pannes selle kristalli põhisagedusele mõeldud ostsillaatori vooluringi, võib väljundsageduseks olla hoopis 10MHz(30/3MHz). Seetõttu on alati kasulik teada millisel sageduse vormil kristall töötab.

Kristall-ostillaatorite eeliseks on ka nende kõrge hüvetegur(Q), mis iseloomustab energia kadusi ostsillaatoris. Mida kõrgem on hüvetegur, seda vähem läheb energiat kaduma võrreldes ostsillaatorisse salvestatud energiaga. Kvartsi hüvetegur on vahemikus 10⁴ kuni 10⁶, võrdluseks võib tuua induktor-kondensaator ostillaatori, mille Q on 10². Maksimum hüvetegurit kõrge stabiilsusega kvarts-ostillaatori jaoks saab arvutada valemiga Q=1.6 × 10⁷/f, kus f on võnkumise sagedus megahetsides.

Modelleerimine

Piesoelektrilise kristalli elektriline sümbol(üleval) ja kvarts kristalliga tööpõhimõttelt ekvivalentne elektriline skeem

C₀- Staatiline mahtuvus. Metalli elektroodide mahtuvus, kvartsi suhteline dielektriline läbitavus. Ei ole seotud kvartsi pieoselektriliste omadustega ja seda mõõdetakse kristalli takistusmõõturiga. Ühikuks on kõige sagedamini pikofarad.

C₁-Dünaamiline mahtuvus. Mahtuvus mida võnkuv keha väljastab oma jadavõnkesagedusel. See on otsene kvartsi piesoelektriliste omaduste tulemus. Väärtus on sõltuvuses kristalli elektroodide suurusest ja mõõdetakse femtofaradites.

L₁-Dünaamiline induktiivsus. Induktiivsus mida võnkuv keha väljastab oma jadavõnkesagedusel. See on otsene kvartsi piesoelektriliste omaduste tulemus. Seda võetakse arvesse ainult juhul kui kristalli sageduse ja mahtuvuse väärtus on kindlalt määratud.

R₁-Takistus mida võnkuv keha väljastab oma jadavõnkesagedusel. See on otsene kvartsi piesoelektriliste omaduste tulemus.

Kasutamine arvutites

Arvutites kasutatakse ostillaatoreid erinevate komponentide töö sünkroonimiseks. Arvuti emaplaadil asetseb taktgeneraator, mis annab taktsagedust kõigile arvuti põhikomponentidele, tavaliselt on sellel eraldi patarei, et hoida aega ka siis kui arvuti on välja lülitatud. Kogu arvuti töö toimub ostsillaatorist saadud takti alusel. Kuigi protsessorite töötamis sagedused on tõusnud aastatega gigahertsidesse, siis kristall-ostsillaatorite, mis asetsevad kella generaatoris, väljundsagedused on jäänud ikka mõnesaja MHz piiresse. Kõige sagedamini kasutatakse kella generaatoris 14.318Mhz sagedusel töötavaid kristalle. 1992. aastal tutvustas Intel oma mudeliga 80486DX2 tehnoloogiat, mis võimaldas protsessoril teha, ühe välise kella signaali jooksul mitu töötsüklit. Nimetatud protsessor töötas kaks korda kiiremini kui väline taktsignaal, tänapäeva arvutites on kordaja kümnetes kordades suurem. Seda tehnoloogiat kasutatakse tänapäeval praktiliselt kõigis protsessorites, kus on vaja taktsagedust tõsta. Tüüpiliselt töötab tänpäeval iga seade arvutis oma taksagedusega, mis on genereeritud emaplaadis, sünkroonsust hoitakse vahemälu ja puhvritega.

Taktgeneraator

Kristall resonaator, mis töötab sagedusel 14,318MHz, ja taktgeneraator ICS952001

Iga sünkroonis töötava arvuti emaplaadil asub kella generaator, mis saadab arvuti komponentidele taktsignaali. Tavaliselt saadetakse igale komponendile eraldi sagedusega signaali ning võidakse veel kasutada lisaks ostsillaatoreid, et generaatori väljundsagedust tõsta. Tüüpiliselt genereeritakse eraldi signaalid protsessorile(õigemini siinile, mis protsessorit ühendab), graafikakaardile, mäludele, pci siinidele, usb pesadele. Signaalide arv sõltub ka konkreetsest taktgeneraatorist ja selle ühenduspesade arvust.

Aja genereerimine

Aja genereerimine, käib väga lihtsa skeemi järgi. See toimub ostsillaatorist tuleva signaali muutmisega väiksema sagedusega signaaliks. Protsess toimub mitmes faasis ja tööpõhimõte seisneb selles, et loetakse ostsillaatorist tulevaid impulsse ja alles teatud impulsside arvu järel saadetakse üks impulss edasi järgmisele faasile. Näiteks kui skeem näeb välja selline, et on kaks faasi ja mõlemas lastakse edasi iga 256. impulss, siis jagatakse ostsillaatori siganaal 256 ruuduga. 65,536KHz ostsillaatori väljundsignaali puhul muudetakse see 1Hz signaaliks, mis vastab täpselt ühele võnkele sekundis.

Sagedamini kasutatavad kristalli sagedused

Kristall ostsillaatorite vooluringidel ei ole just kindlaid standardeid, aga on tekkinud mõned tihedamini kasutatavad sagedused, näiteks 3.579545 MHz, 10 MHz, 14.318 MHz, 20 MHz, 33.33 MHz, ja 40 MHz. Sagedus 3.579545 MHz on saanud populaarseks oma madala hinna tõttu, sellest ajast kui neid hakati kasutama Põhja- ja Kesk-Ameerikas värvitelerite vastuvõtjates. Kasutades sagedusemadaldajaid ja -kordistajaid on võimalik saada ühest algsagedusest mitmeid erinevaid sagedusi, näiteks 14.318 MHz on levinud arvutites kasutatav kristalli võnkesagedus.

Stabiilsus ja vananemine

Sageduse stabiilsus on määratud ostsilaatori hüveteguriga. Hüvetegur sõltub pöördvõrdeliselt sagedusest ja konstandist, mis sõltub kristalli lõiketelje asetsemisest kristallograafiliste telgede suhtes. Veel mõjutavad ostsilaatori hüvetegurit kasutatud ülemtoon, temperatuur, piirpindade kvaliteet, mehhaanilised pinged kristallis, kristalli geomeetria ja kristalli materjali puhtus.

Aja möödudes kristalli sagedus muutub natukene ning seda omadust nimetatakse vananemiseks. Selle põhjuseks võivad olla mitmed erinevad mehhanismid. Kristalli küljes olevad elektroodid võivad survet järgi anda, krisatlli keemiline koostis võib aja jooksul muutuda, näiteks, elektroodidest võivad aatomid difundeeruda kristalli võresse, mis moonutab kristallvõret. Samuti võivad kristalli pinna ja elektroodidega toimuda aeglased keemilised reaktsioonid.

Vaata ka

• Ostsillaator
• Emaplaat
• Induktor
• Kondensaator
• Ülekiirendamine