اسیلاتور کریستالی (Osilator) چیست؟ مقایسه انواع اسیلاتور و رزوناتور

امروزه شما می‌توانید اسیلاتور یا به عبارتی نوسان‌ ساز کلاک را، در مدارات داخلی میکروکنترلرها به وفور پیدا کنید. این نوسان‌گرها سرعت کارکرد بخش‌های مختلف میکروکنترلر را کنترل می‌کنند و عنصری حیاتی در الکترونیک مدرن هستند. انتخاب منبع کلاک مناسب برای یک کاربرد میکروکنترلری خاص نیز به چندین پارامتر از جمله دقت، قیمت، توان مصرفی و الزامات محیطی وابسته است. در این مقاله قصد داریم شما را با انواع منابع کلاک و ویژگی‌ آن‌ها آشنا کنیم.

اسیلاتور در الکترونیک چیست؟

پیش از آشنایی با ویژگی‌های انواع اسیلاتور یا نوسان سازها، لازم است با تعریف کلی این قطعه در الکترونیک آشنا شوید.

اسیلاتورها درواقع بخشی از مدارات الکترونیکی هستند که می‌توانند امواج مربعی یا سینوسی شکل موردنظر ما را به واسطه تبدیل جریان (DC) به پالس‌های نوسانی یا تکرارشونده (AC)، ایجاد کنند. این ساده‌ترین راه برای انجام مدولاسیون یا سوار کردن امواج حاوی اطلاعات بر روی این پالس‌های الکترونیکی می‌باشد. این نوسان سازها کاربرد گسترده‌ای در بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی دارند که از ساده‌ترین آن‌ها مانند موتور ژنراتورهای ساعت گرفته تا ابزارهای دیجیتالی (مانند ماشین حساب) و رایانه‌های پیچیده و تجهیزات جانبی و غیره از این نوسان ساز کلاک استفاده می‌کنند. بطور مثال تمامی میکروکنترلر‌ها که توسط این منبع کلاک، سرعت پردازش و هماهنگی لازم در ارتباطات تمامی واحد‌ها را تعیین می‌کنند.

نوسان ساز کریستالی چیست؟

اسیلاتور کریستالی یک مدار الکترونیکی است که از یک کریستال پیزوالکتریک (تولید ولتاژ متناوب در هنگام ارتعاشات مکانیکی) استفاده می‌کند. این براساس اصل اثر پیزوالکتریک معکوس کار می‌کند، به این معنی که وقتی یک ولتاژ AC به آن اعمال می‌شود، در فرکانس طبیعی خود شروع به ایجاد نوسان می‌کنند از این جهت به آن‌ها نوسان ساز نیز گفته می‌شود.

دسته‌بندی منابع کلاک میکروکنترلرها

قبل از مقایسه و بررسی تفاوت های انواع نوسان ساز لازم است با دسته‌بندی آن‌ها آشنا شوید، به طور کلی منابع کلاک در میکروکنترلرها را می‌‌توان به دو گروه تقسیم کرد: گروهی که بر پایه یک قطعه نوسان گر های مکانیکی (Resonator) هستند، مانند نوسان ساز کریستالی یا سرامیکی و گروهی که براساس مدار شیفت فاز الکتریکی کار می‌کنند مانند اسیلاتورِ متشکل از مقاومت و خازن (Oscillator RC).

نوسان‌ سازهای سیلیکونی معمولاً نسخه یکپارچه نوسان‌ ساز های RC هستند که با بهبودهایی مانند منابع جریان، خازن و مقاومت‌های تطبیق‌یافته و همچنین دارای مدارات جبران‌کننده دما با افزایش پایداری هستند.

  دو مثال از منابع کلاک در شکل زیر نشان داده شده است. شکل الف، مدار یک نوسانگر Pierce را نشان می‌دهد که برای طراحی‌های با رزوناتورهای مکانیکی مثل اسیلاتورهای کریستالی و رزوناتور های سرامیکی مناسب است و در شکل ب، یک اسیلاتور RC ساده با فیدبک نشان داده شده است.

تفاوت‌ های اصلی انواع رزوناتور های مکانیکی و اسیلاتور های RC

نوسان ساز های مکانیکی که مبتی‌بر رزوناتور های کریستالی و سرامیکی هستند معمولاً دقت اولیه‌ بالایی ارائه می‌دهند و ضریب دمایی نسبتاً پایینی دارند. درصورتی که نوسان‌ ساز های RC سرعت شروع به کار بالا و قیمت پایین‌تری دارند اما معمولا از دقت پایین‌تری در برابر تغییرات دما و ولتاژ تغذیه برخوردارند و در مقابل این تغییرات، از 5 تا 50 درصد فرکانس نامی خروجی تغییرات نشان می‌دهند. به همین دلیل در حالی که مدارهای نشان داده شده در دو شکل بالا می‌توانند پالس ساعت تمیز و قابل اطمینانی بسازند، عملکرد آن‌ها به شدت تحت تاثیر شرایط محیطی، انتخاب قطعات مدار و شکل مدار نوسان‌ساز قرار می‌گیرد. از سمت دیگر، رزوناتورهای سرامیکی و مقادیر ظرفیت خازنی آنها باید برای کار با استانداردهای منطقی معمول مثل TTL، بهینه شود. کریستال‌ اسیلاتور ها مقدار ضریب کیفیت (Q) بالاتر و حساسیت کمتری به انتخاب مدار تقویت‌کننده دارند اما هنگامی که تحت بار بیش از حد قرار داشته باشند در معرض شیفت فرکانسی یا خرابی قرار می‌گیرند. عوامل محیطی مثل تداخل الکترومغناطیسی (EMI)، ارتعاشات مکانیکی و شوک (ضربه)، رطوبت و دما روی عملکرد اسیلاتور تاثیرگذارند. این عوامل محیطی می‌توانند فرکانس خروجی را تغییر دهند، ناپایداری (jitter) را افزایش و در برخی اوقات نوسان ساز را از کار بیندازند.
در ادامه به بررسی تفاوت های نوسان سازهای کریستالی و سرامیکی می‌پردازیم.

مقایسه بین اسیلاتور کریستالی و رزوناتور سرامیکی

به طور معمول، نوسان ساز های کریستالی و سرامیکی هر دو وظیفه ساخت پالس ساعت را بر عهده دارند اما در برخی فاکتورها تفاوت‌های ساختاری بین این نوسان ساز ها وجود دارد که در زیر به آنها اشاره کرده‌ایم:

• رنج فرکانسی: نوسان ساز های کریستالی به علت بیشتر بودن پارامتر Q، رنج فرکانسی بالاتری نسبت به نوسان‌گرهای سرامیکی دارند. رنج فرکانسی کریستال اسیلاتور ها از 10KHz تا 100MHz است در حالی که نوسان‌گرهای سرامیکی در رنج 190KHz تا 50MHz ایجاد نوسان می‌کنند.
• مواد سازنده: هر دوی نوسان ساز کریستالی و سرامیکی از مواد نوسان‌گر پیزوالکتریک ساخته شده‌اند. کریستال اسیلاتور از کوارتز ساخته می‌شود و نوسان‌ساز سرامیکی از ماده‌ای به اسم Lead zirconium Titanate. نوسان‌سازهای سرامیکی نحوه ساخت ساده‌تری نسبت به نوع کریستالی دارند.
• حساسیت و پایداری: رزوناتورهای سرامیکی به نسبت کریستال اسیلاتورها تحمل بالایی در برابر ضربه و لرزش دارند. نوسان سازها همگی نسبت به تشعشع نور حساسیت بیشتری دارند به این علت که کریستال کوارتز مقدار تلرانس فرکانسی 0.001 درصد دارد در حالی که Lead zirconium Titanate که در رزوناتورهای سرامیکی استفاده می‌شود، بازه تغییرات فرکانسی 0.5 درصد دارد و این بسیار ناچیز است.
• اثرات دمایی: فرکانس خروجی در رزوناتورهای سرامیکی توسط ضخامت ماده‌ی استفاده‌شده، تعیین می‌شود اما در اسیلاتورها اینگونه نیست و میزان خروجی به اندازه، شکل و سرعت صوت در ماده مورد استفاده ارتباط دارد. نوسان‌گرهای کریستالی در برابر تغییرات دما پایدارترند اما رزوناتورهای سرامیکی، وابستگی بیشتری به دما دارند و تغییرات کوچک دمایی می‌توانند فرکانس را تحت تاثیر قرار دهد.
• نیاز به قطعات خارجی: هر دوی اسیلاتور های کریستالی و سرامیکی به خازن نیاز دارند. رزوناتورها ممکن است خازن داخلی داشته باشند اما نوسان گر های کریستالی برای عملکرد صحیح، حتما به یک خازن خارجی نیاز دارند.
• خروجی: کریستال اسیلاتورها، به نسبت نوع سرامیکی فرکانس خروجی پایدارتری ارائه می‌دهند. به این خاطر که مواد سرامیکی به تغییرات دما حساس‌ترند، بنابر‌این کریستال اسیلاتورها دقت بیشتری نسبت به نوسان‌سازهای سرامیکی دارند.
• کاربرد: اسیلاتور های کریستالی برای ارتباطات پرسرعت استفاده می‌شوند. مثلا میکروکنترلر Atmega16u2 در برد آردوینو UNO، برای ارتباط سریال از اسیلاتور کریستالی استفاده می‌کند ولی نوسان‌سازهای سرامیکی در جاهایی که پایداری چندان مهم نباشد استفاده می‌شوند مانند میکروکنترلرها یا میکروپروسسورها. در مقابل، در تلوزیون‌ها، بازی‌های ویدیویی و اسباب‌بازی‌هایی که شامل قطعات الکترونیکی هستند، از کریستال اسیلاتورها استفاده می‌شود.
• پایداری در طول زمان: اسیلاتورهای کریستالی در صورتی که به درستی با خازن خارجی تنظیم شوند می‌توانند دقت بالایی در طول زمان داشته باشند و خطای آن‌ها در حد چند دقیقه در سال، کم شود.

مصرف توان انواع اسیلاتور

توان‌ مصرفی نیز یکی از مؤلفه‌های مهم در انتخاب نوسان ساز است. توان مصرفی در مدارهای کریستال اسیلاتور با قطعات مجزا، به طور عمده توسط جریان تغذیه بخش تقویت‌کننده–فیدبک و مقادیر خازن‌های داخل مدار محاسبه و مشخص می‌شود. مصرف توان تقویت‌کننده‌هایی که با تکنولوژی CMOS پیاده‌سازی می‌شوند، به فرکانس کاری وابستگی زیادی دارد و می‌تواند به شکل توان مصرفی یک ظرفیت خازنی بیان شود. برای مثال ظرفیت خازنیِ معادلِ یک گیت معکوس کننده HC04 که به عنوان یک تقویت کننده معکوس کننده هم استفاده می‌شود، معمولا 90pF است. بنابراین برای کار در فرکانس 4MHz با ولتاژ تغذیه 5 ولت، جریان مصرفی برابر 1.8 میلی آمپر خواهد بود. مدار نوسان گر کریستالی مجزا، معمولا شامل یک خازن اضافی با ظرفیت 20pF هم می‌شود که با در نظر گرفتن آن، جریان تغذیه به مجموع 2.2mA می‌رسد.

مدار رزوناتورهای سرامیکی معمولا خازن بزرگتری نسبت به مدارات اسیلاتور کریستالی دارند؛ در نتیجه نسبت به مدارات کریستالی با تقویت کننده یکسان، جریان بیشتری نیاز دارند. در مقایسه، ماژول‌های نوسان ساز کریستالی معمولاً بین 10mA تا 60mA جریان را استفاده می‌کنند. که علت بیشتر بودن جریان مصرفی این رزوناتورها، وجود جبران‌ساز دمایی و عملکردهای کنترلی است.

جالب است بدانید جریان تغذیه نوسان گرهای سیلیکونی به نوع و شرایط استفاده از آن وابسته است و می‌تواند از چند میکرو آمپر برای قطعات فرکانس پایین تا چند ده میلی آمپر برای قطعات با فرکانس قابل تنظیم متغیر باشد، مانند یک اسیلاتور سیلیکونی کم مصرف مثل MAX7375 که در فرکانس کاری 4MHz کمتر از 2mA جریان مصرف می‌کند.

ماژول‌های اسیلاتور

بسیاری از نکاتی که در بالا ذکر شد در ماژول‌های نوسان ساز رعایت شده است. این ماژول‌ها همه قطعات مدار اسیلاتور را در خود دارند و یک پالس ساعت مربعی با امپدانس پایین در خروجی خود ارائه می‌کنند و این امر، در یک بازه عملکردی خاص تضمین شده است. ماژول‌های نوسان ساز کریستالی و سیلیکونی یکپارچه، دو نوع معمول این اسیلاتورها هستند. ماژول‌های نوسان ساز کریستالی، دقتی مشابه مداراتی که با قطعات مجزا و با استفاده از کریستال‌ها ساخته می‌شوند، دارند. اسیلاتور های سیلیکونی دقیق‌تر از مدارات نوسان ساز RC با قطعات مجزا هستند و اکثراً دقتی قابل مقایسه با نوسان‌گرهای مبتنی بر رزوناتور ارائه می‌کنند.

تکنولوژی‌های رایج در انواع نوسان‌ ساز ها

هم‌اکنون که با انواع اسیلاتور و تفاوت بین آن‌ها آشنا شده‌اید، خوب است برای کامل‌ترشدن این شناخت، تکنولوژی‌های جذاب هریک از آن‌ها را نیز بدانید:

کریستال اسیلاتور ها

نوسان ساز کریستالی از برش های کریستال با کیفیت کوارتز ساخته شده‌ است که این برش ها به عنوان نوسان‌ ساز مرجع، در میکروکنترلرها مورد استفاده قرار می‌گیرند. انواع کریستال نوسان ساز در اندازه‌های مختلف وجود دارند اما هر کدام با برش‌های نازک‌تر، فرکانس کاری بالاتری ارائه می‌کنند. برای مثال کریستال کوارتز با ضخامت 0.15 میلی متر می‌تواند تا فرکانس 15MHz کار کند.

فرکانس نوسان ساز کریستالی و پایداری آن‌ها می‌تواند به عوامل زیر وابسته باشد:

• نوع کریستال
• شکل هندسی برش‌های کریستال
• ابعاد کریستال

کریستال کوارتز، بین دو الکترود قرار می‌گیرد و به شکل طبیعی، یک سیگنال نوسانی تولید می‌کند. این ساختار از اثر پیزوالکتریک برای ساخت لرزش‌های صوتی وابسته به دما استفاده می‌کند. الکترود، لرزش‌ها را جمع آوری و با استفاده از آن سیگنال نوسانی تولید می‌کند که سایر بخش‌های مدار نوسان ساز از این سیگنال استفاده می‌کنند. با این حال کریستال اسیلاتورها سیگنال‌های نسبتا کندی در بازه 0-100MHz تولید می‌کنند؛ بنابراین نمی‌توان از این سیگنال‌ها به طور مستقیم به عنوان ورودی میکروکنترلرهای فرکانس بالا استفاده کرد.

اسیلاتورهای SAW

قطعات موج صوتی سطحی (SAW) که با نام اسیلاتورهای SAW یا SO هم شناخته می‌شوند، از مبدل‌های اینتردیجیتال (interdigital transducer, IDTs ) قرارگرفته روی سطح پیزوالکتریک استفاده می‌کنند و موج صوتی سطحی می‌سازند. این موج‌ها قابلیت ساخت فرکانس‌های 10MHz تا 2GHz را به شکل پایدار دارند و به ابعاد IDT، جنس سطح و عوامل خارجی مانند دما وابسته هستند.

اسیلاتورهای MEMS

نوسان ساز های MEMS، نیمه پایدار هستند اما بر پایه سیستم‌های مکانیکی میکروالکترونیکی (MEMS) ساخته می‌شوند. زمانی که این سیستم‌ها به شکل الکترواستاتیکی تحریک شوند، سیگنال‌های نوسانی می‌سازند. اسیلاتورهای MEMS در ابعاد و فرکانس‌های مختلف وجود دارند اما ممکن است در برابر بارهای سنگین یا فشارهای مشابه دیگر، پایداری آن‌ها تحت تاثیر قرار گیرد.

نوسان‌ سازهای کنترل شده با ولتاژ

نوسان‌ ساز های کنترل شده با ولتاژ می‌توانند در فرکانس‌های بالاتر کار کنند اما نسبت به انواع دیگر، پایداری بسیار کمتری دارند. از آن‌جا که علم الکترونیک، هر روزه فرکانس‌های بیشتری طلب می‌کند و به سیگنال‌های مرجع پایدار نیاز است، این نوسان‌ سازها به شکل سری با کرستال اسیلاتورها، نوسان ساز های MEMS و تقویت کننده‌ها استفاده می‌شوند تا یک حلقه قفل فاز (PLL) تشکیل دهند. PLLها قابلیت کار در فرکانس‌هایی در رنج گیگاهرتز را دارند.

نتیجه‌گیری

همانطور که اشاره شد، انتخاب منبع کلاک مناسب برای یک کاربرد میکروکنترلری خاص، به چندین پارامتر وابسته است؛ از جمله دقت، قیمت، توان مصرفی و الزامات محیطی. در جدول زیر به طور خلاصه انواع مدارات نوسان‌ساز به همراه نقاط قوت و ضعف آن‌ها ذکر شده است:

منبع کلاک	دقت	نقاط قوت	نقاط ضعف
اسیلاتور کریستالی	متوسط تا زیاد	قیمت پایین	حساسیت به EMI، لرزش و رطوبت تطبیق امپدانسی دشوار
ماژول نوسان ساز کریستالی	متوسط تا زیاد	عدم حساسیت به EMI و رطوبت عدم نیاز به قطعات اضافی عدم وجود مشکلات تطبیق امپدانس	قیمت بالا توان مصرفی بالا حساسیت به لرزش ابعاد بزرگ
رزوناتور سرامیکی	متوسط	قیمت کم	حساسیت به EMI، لرزش و رطوبت
اسیلاتور سیلیکونی یکپارچه	کم تا متوسط	عدم حساسیت به EMI، لرزش و رطوبت سرعت شروع به کار بالا ابعاد کوچک عدم نیاز به قطعات اضافی عدم وجود مشکلات تطبیق امپدانس	حساسیت دمایی معمولا بیشتر از کریستال و رزوناتور سرامیکی جریان مصرفی زیاد در برخی از نوع‌ها
اسیلاتور RC	بسیار کم	کمترین قیمت	معمولا حساس به EMI و رطوبت جبرانسازی دما و تغییرات ولتاژ تغذیه ضعیف

در پایان از شما بسیار سپاسگذاریم برای همراهی با ما در این آموزش لذت‌بخش، چنانچه پیشنهاد یا سؤالی در این موضوع برای شما بوجود آمده، با تیم متخصص و کارشناس روبوایکیو، در بخش دیدگاه همین صفحه مطرح نمایید تا در اسرع وقت پرسش شما بررسی و پاسخ داده شود.