Kristalloscillatorer

[4kTRB]

Pulser blir det inte då R1 finns med. Grinden jobbar i linjär mod med R1 inkopplad. Sedan R2/C2 är ett ordinärt LP-filter. Vid ökad frekvens fasvrids signalen. Vid frekvensen som stämmer med kristallen är fasvridningen 45 grader. Sedan fasvrider kristallen 90 grader och sedan fasvrider C1 i kombination med kristallen (motsvarar R2) runt 45 grader. Det blir 180 grader. Sedan fasvrider grinden 180 och totalt blir det 360 grader plus lite energi från grinden lagom för att oscilleringen ska hållas vid liv.

[YD1150]

Vid 32kHz klockkristaller så använder man R2 för att begränsa tillförd effekt till kristallen.

Vid högre frekvenser så måste man ta hänsyn till inverterarens "propagation delay"
översätts det med utbredningsfördröjning (?). Alltså den tid som går åt för att
en förändring på ingången ger en förändring på utgången, vid höga frekvenser
så bidrar den också till fasförskjutningen. Som botemedel så ersätter man R2 i schemat
med en liten kondensator på säg 10pF som kompensation.

[Marta]

Alla oscillatorerna som visats är OK, även med dubbla inverterare. Fasläget genom kristallen vrider sig när frekvensen ändras. Båda svarianterna svänger, men lite olikafrekvens.

Oscillatorer för alla ändamål...:
https://www.google.com/search?q=xtal+os ... X&bih=1103

[Icecap]

"R2 och C2 ger korta pulser in till kristallen, en "etta" ut från kristallen till NAND-grinden ger en nolla ut som inverteras till en etta igen i inverteraren längst till höger. En nolla ut från kristallen ger en etta ut ur NAND-grinden vilket ger en nolla ut till höger. Det växlar fram och tillbaka eftersom NAND-grinden är en inverterare. Den analoga förstärkningen sker genom återkopplingen över NAND-grinden genom R1. ??"

Inte många rätt här...
R1 är till för att stabilisera ett DC-arbetspunkt, detta behövs om man använder logiska gates till oscillatorn. Är det en oscillatorkrets som finns i en µC eller liknande brukar detta motstånd vara inbyggd. Kolla datablad.

R2 är för att minska drivningen av kristallen - om det behövs. Är det en 32kHz kristall (clock x-tal) brukar de vara skuren som en stämgaffel och drivs de för hårt spricker de.

Normala kristaller (4MHz+) är rent fysisk uppbyggd på ett lite annat sätt som gör dom mycket tåligare mot detta, enstaka kan dock behöva R2. Kolla datablad.

C1 & C2 skapar ett mittuttag på kristallen, AC-mässigt. Detta betyder att (gentemot GND) det finns en 180° fasvridning över kristallen vid resonans och då förstärkaren har samma fasvridning blir det en oscillator.

Kristallers data uppges alltid vid en viss lastkapacitans - och den utgörs av tilledningar samt C1 || C2. Tilledningarna ska utgöra så liten del som möjligt vilket lösas genom design - varför C1 || C2 ska utgöra resten för att få rätt kapacitans.

Att det är använd en NAND-gate i det schema är nog mest för att den duger OK. Ska man bara ha en oscillator som bara ska köra är en vanlig inverter enklare.

[4kTRB]

Hur fungerar mittuttagsprincipen?

[Icecap]

Om man tänker sig kristallen som en parallellresonanskrets där C1 och C2 sitter i serie över kristallen. I kristallen finns ytterligare en "kondensator" ihop med en "induktans" (kristallens funktion).

Om man sedan hade tagit ett uttag på mitten av "induktansen" som kunde kopplas till GND ville det kräva en ganska speciell kristall - men C1 & C2 fungerar AC-mässigt likadan. Går det upp i ena ändan går det ner i andra - gentemot mittuttaget.

Såklart ingår C1 || C2 i "kapacitansen" i kristallen, det är av den orsak som det anges en belastningskapacitans för att få rätt frekvens.

Det är inte många som känner till kapacitiva spänningsdelare men de finns, fungerar riktigt bra (nästan alla A/D-omvandlera i µC...) och kan såna grejer som detta också.

Man kan såklart ha olika värden på C1 & C2 så att man kan offsetta spänningssvinget om man vill, ett tänkt exempel kan vara att förstärkarelementet har problem vid "höga" ingångsnivåer. Då kan man justera lite så att "mittuttaget"s "balans" inte ligger i mitten men en aning närmre ingången. Då blir förhållandet förskjuten från 1:1 till kanske 0,9:1,1.

[YD1150]

Gjorde en snabb och ovetenskaplig mätning på en 6000,000kHz kristall HC49-kapsel.
Signalkälla (ca 13dBm) 50Ω -> 100Ω Resistor-> 6MHz kristall -> 50Ω log detektor
(Inga extra kapacitanser!)

Resultat:
Svep från 5500 - 6500kHz.

6MHz kristall.jpg

Lite mindre frekvensområde, 100Hz steg.

6MHz serie_parallellresonans.jpg

I bilderna så syns serie och parallellresonansen tydligt.

[Hobbyisten]

Pulser blir det inte då R1 finns med. Grinden jobbar i linjär mod med R1 inkopplad. Sedan R2/C2 är ett ordinärt LP-filter. Vid ökad frekvens fasvrids signalen. Vid frekvensen som stämmer med kristallen är fasvridningen 45 grader. Sedan fasvrider kristallen 90 grader och sedan fasvrider C1 i kombination med kristallen (motsvarar R2) runt 45 grader. Det blir 180 grader. Sedan fasvrider grinden 180 och totalt blir det 360 grader plus lite energi från grinden lagom för att oscilleringen ska hållas vid liv.

Detta tyckte jag var en bra beskrivning Kopplade upp enligt senaste schemat med värden på kondingarna och motstånden KRING de angivna och fick den att oscillera med 6Mhz just som YD1150. Men såg en snubbe på youtube som fick en fin sinusvåg ut från kristallen, min oscillator hade inga exakta komponentvärden som sagt och blev inte så fin. Mot rekommendation kopplade jag på kopplingsdäck.

[xxargs]

det är väldigt lätt att man driver kristaller på tok för hårt genom att ha för liten eller ingen seriemotstånd alls på utgången, för hög förstärkning och för snabb krets.

Det är alltså en del att överväga i designen i både förstärkningsfaktor, hur hårt kristallen drivs, ev. lågpassfiltrering eller slowrate-begränsning på kretsen så att signalen inte är allt för fyrkantig och slutligen starta säkert över hela temperaturområdet (_det_ är lätt att missa, speciellt på minusgradersidan - att kolla vid -40 grader C att det går igång samt även vid +80 grader C)

[4kTRB]

Gör det så enkelt som möjligt men inte enklare. Grejerna ska ju fungera i alla väder. Det är sånna konstruktioner man blir nöjdast med.

[Icecap]

Belastningskondensatorerna ger ingen 45° fasvridning!

Kristallen fungerar antingen som en serie-resonans krets (med mycket låg impedans vid resonansfrekvensen) eller som en parallell-resonans krets (med mycket hög impedans vid resonansfrekvensen). De två resonansfrekvenser är förskjutna lite och frekvensen anges oftast vid parallellresonansen.

Detta ses ganska tydligt av mätningen som YD1150 visar: dämpningen är minst vid 6MHz och högst vid 6,012MHz.

Om man tar en induktans med mittuttag och kopplar den på samma sätt med en inverterande förstärkare som man kopplar kristallen och kopplar mittuttaget till GND (evt. via en konding av DC-orsaker) kommer den att oscillera. Frekvensen beror på resonansfrekvensen i induktansen (som ju rent teknisk har kapacitans mellan lindingarna och kanske en kärna som har en del att säga om resonansfrekvensen) och kan sänkas vid att montera en kondensator över induktansen.

Exakt samma funktion som ett DC-isolerat mittuttag kan man göra med en kapacitiv spänningsdelare vilket de två belastningskondensatorer utgör. Kristallen ger då 180° fasvridning, förstärkaren likaså vilket - om det finns förstärkning nog - skapar en oscillator.

De motstånd som visas är för att skapa ett DC-arbetspunkt för förstärkaren (den mellan in och ut) och för att minska drivströmmen till kristallen (den mellan utgång och kristall).

Om detta är en simulering kommer det inte att oscillera för att det inte introduceras brus - som ju finns i verkliga världen i form av termisk brus.

[Hobbyisten]

Pierce-oscillatorn är lättast att förstå där kristallen tillsammans med kondensatorerna ger 180° fasvridning och inverteraren ytterligare 180° (ett helt varv runt)

C1 & C2 skapar ett mittuttag på kristallen, AC-mässigt. Detta betyder att (gentemot GND) det finns en 180° fasvridning över kristallen vid resonans och då förstärkaren har samma fasvridning blir det en oscillator.

[4kTRB]

Räknar du på R2/C2 till att ge 45 grader fasskift vid kristallfrekvensen och ersätter C1 med en trimkondensator så kommer den garanterat starta.

Ex. R2 = 5600 och C2 = 22pF, f = 1MHz

http://sim.okawa-denshi.jp/en/CRtool.php

[Oltronix]

https://www.ti.com/lit/an/snla290/snla290.pdf
Varför pratar man om parallell-resonans i SNLA290? Jag har naivt trott att oscillatorer av typ enligt SNLA290 fig. 2 är baserade på serie-resonans då |Z-kristal| är min.

Vilken frekvens är en kristall märkta med fs eller fp?

[YD1150]

Tippar på parallellresonansfrekvensen (oftast).