6.3.4 Σταθερότητα Συχνότητας
Η σταθερότητα της συχνότητας μιας ταλάντωσης παίζει πολλές φορές πολυ σημαντικό ρόλο σε εφαρμογές όπως τα ηλεκτρονικά ρολόγια (clock), οι γεννήτριες συχνοτήτων και τα κυκλώματα χρονισμού ακριβείας. Η σταθερότητα αυτή εξαρτάται από τρεις παράγοντες. O πρώτος παράγοντας είναι η θερμοκρασία, επειδή τα στοιχεία του ταλαντωτη είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας. O δεύτερος παράγοντας είναι η επίδραση των μεταβολών της dc τάσης τροφοδοσίας και ο τρίτος παράγοντας είναι η επίδραση της «φόρτωσης» του ταλαντωτη που δέχεται ο ταλαντωτής στην έξοδό του.
Η επίδραση της θερμοκρασίας είναι σημαντική στους ταλαντωτές LC. Η τιμή της αυτεπαγωγής αυξάνει με τη θερμοκρασία, ενώ, αντίθετα, η χωρητικότητα ελαττώνεται. Έτσι, έχουν επινοηθεί κυκλώματα με τα οποία αυτές οι επιδράσεις να αλληλοαναιρούνται. Ακριβής, όμως, εξισορρόπηση είναι αδύνατο να πραγματοποιηθεί. Σημειώνουμε επίσης, ότι η επιδραση της θερμοκρασίας είναι μικρότερη στην περίπτωση που το συντονιζόμενο κύκλωμα έχει υψηλό συντελεστή ποιότητας Q.
Οι μεταβολές ή διακυμάνσεις της τάσης τροφοδοσίας επιδρούν κυρίως στις παραμέτρους του ενεργού στοιχείου (τρανζίστορ, κτλ), με αποτέλεσμα να έχουν έμμεση επίδραση και στη συχνότητα ταλάντωσης. Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίζεται με την εφαρμογή πολύ καλής ηλεκτρονικής σταθεροποίησης στην τάση τροφοδοσίας. Η επίδραση της φόρτωσης στη σταθερότητα της συχνότητας είναι σημαντική, εφόσον υποβιβάζει το Q του παράλληλου κυκλώματος συντονισμού. Στην πράξη είναι προτιμότερο να χρησιμοποιήσουμε απομονωτή (buffer), επειδή το κύκλωμα αυτό έχει υψηλή αντίσταση εισόδου και μικρή αντίσταση εξόδου και έτσι αφήνει σχεδόν ανεπηρέαστο το Q του κυκλώματος συντονισμού.
6.3.5 Ταλαντωτές με Κρύσταλλο
Όπως είπαμε πιο πάνω, ένα κύκλωμα με υψηλό Q εξασφαλιζεί πολύ καλή σταθερότητα στη συχνότητα ταλάντωσης. Ο κρύσταλλος χαλαζία (quartz) είναι ένα στοιχείο που συμπεριφέρεται σαν κύκλωμα συντονισμού υψηλού Q. Η λειτουργία του κρυστάλλου βασίζεται στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, που είναι το εξής: Αν σ' έναν κρύσταλλο που περιέχεται ανάμεσα σε δυο ηλεκτρόδια εφαρμόσουμε μηχανικές δονήσεις, δημιουργούνται στην επιφάνειά του ηλεκτρικά φορτία τα οποία αναπτύσσουν ac ηλεκτρικές τάσεις. Αντιστρόφως, αν μεταξύ των ηλεκτροδίων του κρυστάλλου εφαρμόσουμε ac ηλεκτρική τάση, οι δυνάμεις Coulomb αναπτύσσουν εσωτερικές μηχανικές τάσεις και ο κρύσταλλος ταλαντώνεται μηχανικά.
Η συχνότητα συντονισμού και ο συντελεστής ποιότητας Q του κρυστάλλου εξαρτώνται από τις διαστάσεις του, από τη διατομή του και από τον τρόπο στήριξής του. O κρύσταλλος χαλαζία απαντάται σε εξαγωνική μορφή. Το Σχ.6.9 δείχνει το ηλεκτρικό ισοδύναμο κύκλωμα του κρυστάλλου και τη μεταβολή της σύνθετης αντίστασής του Ζ, με τη συχνότητα (καμπύλη απόκρισης).
Η ωμική αντίσταση R, η αυτεπαγωγή L και η χωρητικότητα σειράς CS του ισοδύναμου κυκλώματος (Σχ.6.9 β) παριστάνουν τα ηλεκτρικά ισοδύναμα μεγέθη των μηχανικών χαρακτηριστικών δόνησης του κρυστάλλου. Η παράλληλη χωρητικότητα CP παριστάνει την ηλεκτροστατική χωρητικότητα μεταξύ των ηλεκτροδίων του κρυστάλλου.
Όπως φαίνεται και από την καμπύλη απόκρισης του Σχ.6.9 γ ο κρύσταλλος έχει δυο συχνότητες συντονισμου, μια σειράς /os , οπου η σύνθετη αντίστασή του είναι μικρή και μια παράλληλη, όπου η σύνθετη αντίστασή του είναι μεγάλη. Και στις δυο περιπτώσει το Q του κυκλώματος είναι μεγάλο. Για τους περισσότερους κρυστάλλους, η διαφορά της fop - fos μεταξύ των δύο συχνοτήτων συντονισμού τους είναι πολύ μικρή. Τον κρύσταλλο μπορούμε να τον συντονίσουμε στη μια ή την άλλη από τις δυο συχνότητες συντονισμού.
Αποδεικνύεται ότι οι δύο πιο πάνω συχνότητες συντονισμού προς τα ισοδύναμα μεγέθη του κρυστάλλου δίνονται από τις σχέσεις:
Οι κρύσταλλοι quartz είναι διαθέσιμοι για συχνότητες από 10 kHz έως 330 MHz. Βρίσκουμε πιο εύκολα κρυστάλλους σε συχνότητες 100 kHz, 1 MHz, 2 MHz, 4 MHz, 5 MHz, 10 MHz και 25 MHz. Επίσης, βρίσκουμε εύκολα κρύσταλλο συχνότητας 3.579545 MHz που χρησιμοποιείται στους ταλαντωτές colour burst της TV. Στην αγορά υπάρχουν επίσης κρύσταλλοι συχνότητας 32.768 kHz (με διαίρεση 215 δίνουν 1 Hz) που χρησιμοποιούνται στα ψηφιακά ρολόγια χειρός. Τέλος, υπάρχουν έτοιμοι κρυσταλλικοί ταλαντωτές μέσα σε "φούρνο" σταθερής θερμοκρασίας και συνεπώς μεγάλης σταθερότητας συχνότητας, όπως ο 10544 της Hewlett Packard (10 MHz).
Από το ισοδύναμο κύκλωμα του κρυστάλλου είναι φανερό ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον κρύσταλλο ως τον κλάδο συντονισμού ενός ταλαντωτή τύπου Clapp. Έτσι, προκύπτει ο κρυσταλλικός ταλαντωτης με BJT του Σχ.6.10.
Αντίστοιχα, το Σχ.6.11 δείχνει έναν κρυσταλλικό ταλαντωτή με ΤΕ. Το κύκλωμα αυτό χρησιμοποιεί μεγάλη ενίσχυση με αποτέλεσμα να έχουμε στην έξοδό του τετραγωνική κυματομορφη. Το ζεύγος των διόδων Zener δίνουν στην έξοδο πλάτος παλμών ίσο με την τάση Vz των Zener αυτών.
