مذبذبات الكريستال الكوارتز Quartz Crystal Oscillators

تتضمن بعض العوامل التي تؤثر على استقرار تردد المذبذب عموماً الاختلافات في درجة الحرارة والتغيرات في الحمل، وكذلك التغييرات في جهد إمداد الطاقة بالتيار المستمر على سبيل المثال لا الحصر، كما يمكن تحسين استقرار تردد إشارة الناتج بشكل كبير من خلال الاختيار المناسب للمكونات المستخدمة لدائرة التغذية المرتدة الرنانة، بما في ذلك مكبر الصوت، ولكن هناك حداً للاستقرار الذي يمكن الحصول عليه من الدوائر العادية لخزان “LC” و “RC”.

ما هو مذبذبات الكريستال الكوارتز؟

مذبذبات الكوارتز: هو عبارة عن انخفاض في دائرة التوقيت الكاملة، كما إنّها توفر تحملاً ممتازاً للتردد واستقراراً في درجة الحرارة على مدى درجة الحرارة المطلوبة، مع الحفاظ على أداء منخفض للاهتزاز وضوضاء المرحلة، وهي متوفرة بتردد ثابت أو قابل للتهيئة “XO’s” أو “VCXO’s” أو “TCXO’s” بترددات تصل إلى “1.5 جيجاهرتز” وثبات منخفض يصل إلى 10 جزء في المليون، وهي متوفرة في عبوات قياسية صناعية بحجم “2.0 × 1.6 مم”.

• “LC” هي اختصار لـ “Inductance, Capacitance”.

• “RC” هي اختصار لـ “Resistance, Capacitance”.

مزايا مذبذبات الكريستال الكوارتز:

• إشارة مستقرة جداُ عند استخدامها في مذبذب.

• مستويات منخفضة من ضوضاء المرحلة عند استخدامها في مذبذب.

• عند استخدامه في مرشح من الممكن تحقيق مستويات عالية جدًا من الانتقائية، وفلاتر الكريستال قادرة على توفير أداء ممتاز، وتوفر بعضاً من أفضل الخيارات لمرشحات حادة ضمن مجموعة متنوعة من التطبيقات.

• تكلفة منخفضة، حيث تتوفر البلورات الأساسية بتكلفة معقولة جداً، كما يمكن أن يؤدي استخدامها غالباً إلى ساعة أرخص أو مصدر آخر عند استخدامها كرنان، وكما أنّ مذبذبات بلورات الكوارتز المحددة للغاية تكلف أكثر.

عيوب مذبذبات الكريستال الكوارتز:

1- الحجم:

تعتمد البلورة على الاهتزازات الميكانيكية لسلوكها الرنان، ونتيجةً لذلك لا يمكن تقليل الحجم بسهولة وقد تكون كبيرة عند مقارنتها بمكونات “SMT” الأخرى، ومع ذلك تتوفر بلورات تقنية جديدة على السطح في عبوات صغيرة جداً الآن.

• “SMT” هي اختصار لـ “Surface mount technology”.

2- اللحام:

نظراً لأدائها يجب إجراء اللحام بعناية مع مراعاة درجات الحرارة القصوى وأوقات اللحام.

3- التردد الثابت:

على الرغم من أنّ هذا يمكن أن يكون ميزة أيضاً، إلّا أنّ البلورة لها ترددات رنين طبيعية خاصة بها، وبمجرد اختيارها وتصنيعها لا يمكن تغييرها، على الرغم من أنّه من الممكن “سحب” تردد مذبذب بكمية صغيرة.

أساسيات مذبذبات الكريستال الكوارتز:

للحصول على مستوى عالٍ جداً من ثبات المذبذب يتم استخدام بلورة الكوارتز بشكل عام كجهاز تحديد التردد لإنتاج أنواع أخرى من دارة المذبذب المعروفة عموماً باسم مذبذب الكوارتز البلوري “XO”، حيث عندما يتم تطبيق مصدر الجهد على قطعة صغيرة رقيقة من بلورة الكوارتز، فإنّه يبدأ في تغيير شكله ممّا ينتج عنه خاصية تعرف باسم تأثير بيزو الكهربائي.

وتأثير “بيزو الكهربائي” هذا هو خاصية البلورة التي تنتج بواسطتها الشحنة الكهربائية قوة ميكانيكية عن طريق تغيير شكل البلورة والعكس بالعكس، كما تنتج القوة الميكانيكية المطبقة على البلورة شحنة كهربائية، وبعد ذلك يمكن تصنيف الأجهزة الكهربائية بيزو على أنّها محولات طاقة لأنها تحول الطاقة من نوع إلى طاقة أخرى أي كهربائية إلى ميكانيكية أو ميكانيكية إلى كهربائية.

كما ينتج هذا التأثير الكهروضوئي اهتزازات أو تذبذبات ميكانيكية يمكن استخدامها لاستبدال دائرة خزان “LC” القياسية في المذبذبات السابقة، وهناك العديد من الأنواع المختلفة من المواد البلورية التي يمكن استخدامها كمذبذبات وأهمها معادن الكوارتز للدوائر الإلكترونية، ويرجع ذلك جزئياً إلى قوتها الميكانيكية الأكبر.

إنّ بلورة الكوارتز المستخدمة في الكوارتز البلوري المذبذب عبارة عن قطعة صغيرة جداً ورقيقة أو رقاقة من الكوارتز المقطوع مع سطحين متوازيين ممعدنين لعمل التوصيلات الكهربائية المطلوبة، كما يتم التحكم بإحكام في الحجم المادي وسمك قطعة من بلورات الكوارتز لأنّها تؤثر على التردد النهائي أو الأساسي للتذبذبات، والتردد الأساسي يسمى بشكل عام بالبلورات “التردد المميز”.

بمجرد قطعها وتشكيلها لا يمكن استخدام البلورة بأي تردد آخر، كما يحدد حجمه وشكله تردد التذبذب الأساسي، حيث يتناسب التردد المميز أو المميز للبلورات عكسياً مع سماكة البلورات الفيزيائية بين السطحين المعدنيين، كما يمكن تمثيل البلورة المهتزة ميكانيكياً بدائرة كهربائية مكافئة تتكون من مقاومة منخفضة “R” ومحاثة كبيرة “L” وسعة صغيرة “C”.

بلور الكوارتز مصنوع من قطعة رقيقة من رقاقة الكوارتز مثبتة بإحكام ويتم التحكم فيها بين سطحين متوازيين من المعدن، كما يتم تصنيع الأسطح المعدنية للتوصيلات الكهربائية ويتم التحكم في الحجم والكثافة الفيزيائية للكوارتز أيضاً بإحكام، حيث أنّ التغييرات في الشكل والحجم تؤثر بشكل مباشر في تردد التذبذب، وبمجرد تشكيله والتحكم فيه يتم إصلاح التردد الناتج ولا يمكن تغيير التردد الأساسي إلى ترددات أخرى، حيث يسمى هذا التردد المحدد للبلورة المحددة التردد المميز.

نموذج مكافئ لكريستال الكوارتز:

تُظهر الدائرة الكهربائية المكافئة لبلورة الكوارتز سلسلة “RLC”، والتي تمثل الاهتزازات الميكانيكية للبلورة بالتوازي مع السعة، و”Cp” التي تمثل التوصيلات الكهربائية للبلورة، كما تميل مذبذبات بلورات الكوارتز إلى العمل باتجاه “الرنين المتسلسل” الخاص بها.

الممانعة المكافئة للبلورة لها صدى متسلسل، حيث يتردد صدى “Cs” مع الحث و”Ls” عند تردد تشغيل البلورات، وهذا التردد يسمى تردد سلسلة البلورات “ƒs”، وبالإضافة إلى تردد السلسلة هذا توجد نقطة تردد ثانية تم إنشاؤها نتيجة للرنين المتوازي الذي تم إنشاؤه عندما ترن “Ls” و”C” مع المكثف المتوازي “Cp” كما هو موضح.

• “RLC” هي اختصار لـ “Resistance, Inductance, Capacitance”.

مقاومة الكريستال ضد التردد في مذبذبات الكريستال الكوارتز:

يوضح منحدر مقاومة البلورات السابق أنّه كلما زاد التردد عبر أطرافه أي عند تردد معين يؤدي التفاعل بين مكثف السلسلة “Cs” والمحث “Ls” إلى إنشاء دائرة رنين متسلسلة تقلل مقاومة البلورات إلى أدنى حد وتساوي “Rs”، وتسمى نقطة التردد هذه بتردد طنين سلسلة البلورات “s” وتحت تكون البلورة بالسعة.

مع زيادة التردد فوق نقطة الرنين المتسلسلة هذه تتصرف البلورة مثل مغو حتى يصل التردد إلى تردد الرنين الموازي “ƒp”، وعند نقطة التردد هذه يكون التفاعل بين محث السلسلة و”Ls” والمكثف المتوازي و”Cp” ينتج دائرة خزان “LC” مضبوطة متوازية وعلى هذا النحو تصل الممانعة عبر البلورة إلى قيمتها القصوى.

كما يمكن تكون بلورة الكوارتز عبارة عن مزيج من دوائر الرنين المتسلسلة والمتوازية المضبوطة وتتأرجح عند ترددين مختلفين مع اختلاف بسيط جداً بين الاثنين اعتماداً على قطع البلورة، ونظراً لأنّ البلورة يمكن أن تعمل إمّا بترددات رنين متسلسلة أو متوازية يجب ضبط دارة مذبذب بلوري على تردد واحد أو آخر حيث لا يمكنك استخدام الاثنين معاً.

وبناءً على خصائص الدائرة يمكن أن تعمل بلورة الكوارتز إمّا كمكثف أو محث أو دائرة رنين متسلسلة أو دائرة رنين موازية، ولإثبات ذلك بشكل أكثر وضوحاً يمكن أيضاً رسم تفاعل البلورات مقابل التردد كما هو موضح في الدائرة.