Kvarc, Oszcillátor, Rezonátor, de melyiket?

Bár a mikrovezérlők nagyrésze már rendelkezik beépített RC oszcillátorral, időnként előfordulhat, hogy mégis külső órajel generátor mellett döntenénk. Ilyenkor futunk bele a lehetőségek tárházába és kapkodjuk a fejünket, hogy OK, de melyiket? Az RC oszcillátorok egyszerű, könnyen fellelhető eszközökből építkeznek (inverter, ellenállás és kondenzátor), míg a kvarc és kerámia rezonátorok az adott kristály köré épülnek. Az oszcillátorok gyakorlatilag előre csomagolt órajel generátorok, amelyek kialakítástól függően tartalmazhatják bármely típusú rezgőkört, de nagy előnyük, hogy a gyártástechnológiából adódóan az alkatrészek tökéletesen párosítottak.

Választásunkat alapvetően az eszközzel szemben támasztott elvárások kell, hogy vezéreljék. Ilyenek például pontosság, stabilitás, hőmérséklet függés, nyák elrendezés, fogyasztás.

Oszcillátor típusok:

Egy oszcillátor alapvetően egy erősítőből és egy fázis toló hálózatból áll. Mivel az oszcillálás feltétele az, hogy a kör teljes fázistolása 360° környékén legyen, pozitív visszacsatolást tartalmazzon és a hurokerősítés legyen legalább 1. Az inverter egy AB osztályú erősítő, amely 180°-os fázistolással rendelkezik. A másik 180°-ot a hozzá csatolt PI hálózat adja.

A felhasznált rezonátor típusa szerint két csoportra oszthatók. Az egyik fele mechanikai rezgésen alapul, a másik elektronikain. A legegyszerűbb az RC rezgőkör. Hátrányuk, hogy nagyon érzékenyek mind az alkatrész értékekre, mind a környezeti változásokra. A kimenetük akár 5%-50%-ban is megváltozhat. Előnyük, hogy olcsók és gyorsan élednek. A kristályon alapuló oszcillátorok ezzel szemben sokkal pontosabb és tisztább kimenetet adnak, de érzékenyek az alkatrész párosításra és az elrendezésre.
A rezgőkörünkre nagy hatással lehetnek a külső zavaró tényezők is (EMI, rezgések, zavaró mágneses terek, stb...).
Végul az oszcillátorokról (oszcillátor modulok). Próbáltam eddig kerülni, hogy a többi áramkört is oszcillátornak nevezzem, mivel oszcillátor névvel az előre egybe csomagolt rezgőköröket nevezzük. Olyan modulokat, amik csak tápfeszültésget igényelnek és már adják is a kimeneti jelet. Ezen moduloknak rengeteg sok előnye van: egyszerű kezelhetőség, alacsony környezeti függőség, párosított alkatrészek és a tengersok típus a 100MHz-es tartományokig lefed mindent. Belsejükben általában valamilyen mechanikus rezonátor található, de lehet teljesen félvezető is. Hátrányuk a magas áruk és a nagy fogyasztás (30..60mA).

A kvarc kristály oszcillátorokról bővebben:
Hogy miért pont a kvarc kristályokról bővebben? Mert ezek érdekelnek :). Bármilyen pontos eszköt akar az ember csinálni, elkerülhetetlen a kvarc pontossága (persze, használhatunk modult is, ami kényelmesebb és valószínűleg azt fogok használni, de azért úgy gondolom, hogy ezzel érdemes megismerkedni).
A kvarc pontossága rövid és hosszútávon is folyamatosan változik. A rázkódás és az ejtés is nagy hatással van rá. Fontos tudni, hogy egyes környezeti hatások megszűnése után nem feltétlenül ugyanazt a frekvenciát veszi fel egy kvarc. Pl, ha felmelegszik pár 10°C-t és visszahül, nem garantált, hogy a melegedés előtti frekvencián fog rezegni.

A méretezés:
A mikrovezérlők adatlapja mindig letudja, hogy X..YMHz között használjunk pl 15..20pF kondenzátorokat. Ez általában jó. De mi alapján? A gyártók az adatlapon megadják, hogy mekkora kapacitív terhelés szükséges ahhoz, hogy a kristály az adott frekvencián rezegjen. Ezt egyébként általában úgy lövik be, hogy tényleg jó legyen a 15..20pF kondenzátor. A megközelítés viszont függ attól, hogy párhuzamos vagy soros rezgőkört építünk. A cikk elején látható elrendezésnél a kristály kapacitív terhelését a párhuzamos szempontból rákötött kapacitások adják. Ezek: C1, C2 és az inverter be és kimeneti kapacitási. Ehhez adódik még a végső elrendezésnél a nyák szórt kapacitása. Ezeket egyszerűen számíthatjuk, ha egy picit átrajzoljuk az ábrát:


Ebből már egyszerűen felírhatjuk:
(Az ábrán Cszort nincs megjelenítve.)
Az inverter értékeit az adatlapok rögzítik, így nekünk csak C1 és C2 értékét kell helyesen megválasztani. A helyes érték függ a kristály trimmelési érzékenyégétől is. C1 és C2 értékét érdemes nagyobbra választani (20pF), ha fix frekvencián akarjuk használni, míg kisebbre (14pF), ha változtatható frekvenciájú oszcillátort tervezünk. Továbbá C2/C1 aránnyal a kvarc erősítése is beállítható, nagyobb erősítéshez válasszuk C2-t nagyobbra, mint C1-et. [3]


További információt a referenciákban felsorolt lapokon találhatsz.

Referenciák:

[1] Maxim application note:
http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/an_pk/2154

[2] Fundamentals of Quartz Oscillators:
http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5965-7662E.pdf

[3] Pierce-Gate oscillator crystal load calculation:
http://www.crystekcrystals.com/crystal/appnotes/PierceGateLoadCap.pdf