Xtal frekans üreteci nedir?

CPU’yu, RAM’i veya ekran kartını hareket ettiren saat frekansını neyin oluşturduğunu mutlaka merak etmişsinizdir, her şey anakartta bulunan ve daha sonra ele alınacak bir temel frekans oluşturan osilatör veya Xtal adı verilen bir piezoelektrik elemandan gelir. Bu eğitimde size donanıma hayat veren bu parça hakkında daha fazla bilgi vereceğim.

Piezoelektrik nedir?

Piezoelektrik (Yunanca piezeinden türetilmiştir; piezein sıkıştırmak veya itmek anlamına gelir ve elektroktron, elektrik yükünün en eski kaynağı olan kehribar anlamına gelir. Daha önce bahsedildiği gibi, piezoelektrik, bir maddenin ezme, bükme veya bükme gibi bir strese maruz kaldığında elektrik enerjisi üretme yeteneğidir.

Bir piezoelektrik malzemenin mekanik gerilimi elektrik yüküne dönüştürme yeteneğine piezoelektrik denir. Bazı malzemelerin mekanik strese veya titreşime maruz kaldığında AC (alternatif akım) voltajı üretme veya AC voltajına veya her ikisine birden maruz kaldığında titreşme kabiliyetine piezoelektrik denir. Piezoelektrik etki, belirli malzemelerin uygulanan mekanik strese yanıt olarak elektrik yükü üretme yeteneğidir. Piezoelektriklik(,), uygulanan mekanik strese yanıt olarak kristaller, bazı seramikler ve kemik, DNA ve çeşitli proteinler gibi biyolojik malzemeler gibi bazı katı malzemelerde oluşan bir elektrik yüküdür.

Piezoelektrik dönüştürücüler, bir tür katı malzeme tarafından üretilen elektrik yüklerini enerjiye dönüştüren bir tür elektroakustik dönüştürücüdür. Piezoelektrik dönüştürücüler, endüstriyel, çevresel ve kişisel kullanımlar için elektrik gücü kullanan çok sayıda uygulamada kullanılabilir. İyi mekanik özelliklere ve tutarlı piezoelektrik özelliklere sahip olan piezoelektrik seramikler, kuvvete, ısıya, elektriğe ve ışığa duyarlı fonksiyonel malzemeler olarak sensörlerde, ultrasonik transdüserlerde, mikro yer değiştirme cihazlarında ve diğer elektronik bileşenlerde vb. yaygın olarak kullanılmaktadır.

Piezoelektrik seramiklerin dielektrik özellikleri, bir seramik malzemenin harici bir elektrik alana tepki verme derecesini yansıtır. Piezoelektrik malzemeler ayrıca, elektrik alanının uygulanmasının kristalde mekanik bozulmalara neden olduğu, karşılıklı piezoelektrik etki adı verilen zıt bir etkiye sahiptir. Bir piezoelektrik malzeme mekanik gerilime maruz kaldığında, malzeme içindeki pozitif ve negatif yük merkezlerinin kaymasına neden olarak bir dış elektrik alanı oluşturur. Piezoelektrik malzemeler bu tanıma uygundur, çünkü uygulanan voltaj piezoelektrik malzemede bir voltaj oluşturur ve bunun tersine, harici bir voltajın uygulanması da malzemede elektrik akımları oluşturur.

Belki de en yaygın tanım, bir dış mekanik stresin uygulanması bir iç dielektrik yer değiştirmeye neden oluyorsa, bir malzemenin piezoelektrik olduğudur. Bir piezoelektrik cihazda, harici olarak uygulanan gerilimden ziyade mekanik gerilim, yükün malzemedeki tek tek atomlara ayrılmasına neden olur. Piezoelektrik etki, her şeyden önce kuvars ve turmalin gibi dielektrik malzemelerde meydana gelen ve basınç uygulamasıyla üretilen voltaj tarafından bir elektrik yükünün üretildiği bir olgudur. Bu, dielektrik (elektriksel) polarizasyon olarak bilinir ve bu fenomeni sergileyen malzemelere piezoelektrik denir.

Bir piezoelektrik malzeme, sıkıştırma gibi mekanik bir gerilime maruz kaldığında, içinden akım akar ve yüzeylerini yükler. Bu cihazlarda piezoelektrik malzemeler, daha sonra seramik plakaları hareket ettirmek için kullanılan mekanik enerjiye dönüştürülen bir elektrik sinyali alır. Aynı piezoelektrik kristali alıp elektrik akımına maruz bırakırsak, kristal genişleyip büzülerek elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür. Bir piezoelektrik kristale mekanik basınç uygulanırsa, yapı deforme olur, atomlar hareket eder ve aniden elektrik akımını iletebilen bir kristal elde edersiniz.

İki metal plakalı bir piezoelektrik kristale mekanik basınç uygulanırsa, kristal içindeki elektrik yükleri dengesiz hale gelir. Bir piezoelektrik kristal sıkıştırılır veya gerilirse, yapıyı deforme ederek bazı atomları yakına veya uzağa hareket ettirir, bu da pozitif-negatif dengeyi bozarak net bir elektrik yüküne neden olur. Piezoelektrik etki, inversiyon simetrisi olmayan kristal bir malzemede mekanik ve elektriksel durumların doğrusal elektromekanik etkileşimlerinden kaynaklanır.

Piezoelektrik, malzemenin elektriksel ve mekanik durumları arasında bir bağlantı olduğu anlamına gelen bir olgudur. Piezoelektrik terimi, kelimenin tam anlamıyla basınçtan kaynaklanan elektrik anlamına gelir. Piezoelektrik aktüatörlerin en önemli avantajlarından biri, büyük elektrik alan voltajlarının, piezoelektrik kristallerin genişliğinde mikrometre ölçeğinde çok küçük değişikliklere karşılık gelmesidir.

Xtal nedir?

Kristal osilatörler veya Xtal, piezoelektrik kuvvetin ters etkisini, yani belirli malzemelere elektrik alanları uygulayarak mekanik stresin üretildiği mekanizmayı kullanan elektrikli osilatör devreleridir. Kuvars kristalleri, osilatör devrelerinde kullandığımız en yaygın piezoelektrik boşluk türüdür, bu nedenle kristal osilatör olarak bilinir. Kristal, elektronikte piezoelektrik rezonatörleri ifade etmek için yaygın olarak kullanılan bir terimdir. Bir kristal osilatör, yüksek hassasiyetli frekanslarda elektrik sinyalleri üretmek için piezoelektrik özelliklere sahip titreşimli kristallerin mekanik rezonanslarını kullanır.

Yukarıdaki diyagram, piezoelektrik kristal boşluğunun yanı sıra bir direnç, bir indüktör ve bir kapasitörden oluşan elektrikli osilatörün kuvars kristalleri için bir elektrik sembolünü temsil eder. Eşdeğer elektrik devresinde kullanılan temel bileşenler, L endüktansı kristalin kütlesini, C2 kondansatörü konformasyonu, C1 kristalin mekanik konformasyonunun oluşturduğu kapasitansı, direnç R ise sürtünmeyi temsil eder. Kristallerin içindeki yapı, seri ve paralel rezonans gibi iki rezonanstan yani iki rezonans frekansından oluşan bir kuvars kristal osilatörün şemasıdır.

Eşdeğer elektrik devresi ayrıca kristalin kristal üzerindeki etkisini de tanımlar. Bir kuvars kristali, sabit bir rezonans frekansıyla, bir RLC devresi gibi hareket ederek, ancak çok daha yüksek bir Q ile (her salınım döngüsünde daha az enerji kaybı) salınır. Bir saniyede, bir kristal dış devreye çok yüksek bir empedans sunar ve salınım frekansı bir oranla verilir.

Xtal özellikleri

Osilatör, kristalin temel frekansının tek katlarına ayarlanmış ayarlama yüküne sahiptir. Çıkış direncindeki veya çıkıştaki yükteki değişimler de osilatörlerin frekansını etkiler. Mekanik gerilimler, kristallerin gerilim duyarlılığı nedeniyle osilatör frekansında kısa süreli bir değişiklik üretir ve montajlarda ve dahili gerilimlerde (mekanik parçalar elastik sınırlarının dışındaysa) şok kaynaklı değişiklikler, kristal yüzeylerden gelen kirletici maddeler veya osilatör devresi parametrelerindeki değişiklikler nedeniyle frekansta kalıcı değişiklikler üretebilir.

En önemlisi, artan frekansla büyük ölçüde değişen kristallerin içsel direncidir. Bunun ana nedeni, osilatör devre tasarımlarına, frekans değiştikçe kristalin iç direncindeki büyük değişikliklerin hakim olmasıdır.

Bir devrenin boyutunun küçültülmesi, kısa süreli frekans kaymasının kristallerden daha azına indirilmesi, devre tasarım çabasının büyük kısmını oluşturur. İyi bir devrede, hem kısa vadeli hem de uzun vadeli frekans kaymasının çoğu kristalden gelir.

Besleme voltajındaki, bir transistörün cihaz parametrelerindeki vb. değişikliklerin devrenin çalıştığı frekansı etkilemediği ve kristalin onu sabit tuttuğu görülebilir. Dalgalanmaları önlemek için osilatörlerde bir piezoelektrik kristal kullanılır. Paralel boşluk tasarımlarında piezoelektrik kristallerin kullanılması, osilatörlerde daha yüksek frekans kararlılığı sağlar.

Kristal osilatörler ve dijital elektronik

Kristal osilatörler, kararlı bir saat sinyali sağlamak için öncelikle dijital entegre devrelerde ve yüksek frekans referansları gerektiren özel uygulamalar için kullanılır. Kristal osilatörler, dijital IC’lere ve mikrodenetleyici projelerine kararlı saat sinyalleri sağlamak, kuvars kol saatleri gibi zaman kontrolü, radyo vericilerinin ve alıcılarının frekans stabilizasyonu ve diğer birçok uygulama için kullanılır. Bir kristal osilatörün daha yüksek kararlılığı, kalite faktörü, daha küçük boyutu ve daha düşük maliyeti vardır, bu da onu LC devreleri, seramik rezonatörler, döner çatallar vb. gibi diğer boşluklardan üstün kılar.

Kritik uygulamalar için kuvars osilatör, cam fırını adı verilen sıcaklık kontrollü bir kaba monte edilir ve bu kap, onu harici mekanik titreşimlerden kaynaklanan bozulmalardan korumak için bir damper plakasına da monte edilebilir.

Mekanik titreşimler, en yüksek büyüklüklerine, en az kristallerin doğal piezoelektrik frekansı kadar hızlı olan alternatif voltajlarda sahiptir. Alternatif voltajın frekansı bir kristalin doğal frekansına eşit yapılırsa, rezonans oluşur ve kristalin titreşimleri maksimuma ulaşır.

Standart kesme kristallerin üretilmesi zordur; kuvars gofretler çok ince haldedir. Aşağıda gösterilen devreler temel kesme kristallerle çalışsa da, bu uygulama için fazla tonlama modu kristalleri daha iyidir. Daha yüksek frekanslar üretmek için üreticiler, daha kalın olduklarından ve bu nedenle aynı frekansları üretecek olan temel kristallerden daha kolay üretildiğinden, istenen frekansta 3, 5 veya 7’lik bir üst ton yerleştirmek üzere ayarlanan üst ton kristalleri yaparlar; istenen bir üst ton frekansını sürmek için daha karmaşık osilatör devresi üretilir.

Üreticiler, daha yüksek frekanslar üretmek için, istenen frekansta 3., 5. veya 7. üst tonu koymak üzere ayarlanmış üst ton kristalleri yaparlar, çünkü bunlar daha kalındır ve bu nedenle, aynı frekansı üretecek temel bir kristalden daha kolay imal edilirler. İstenen üst tonu sürmelerine rağmen frekans, biraz daha karmaşık bir osilatör devresi gerektirir. Bu durumda, bu 8051 mikrodenetleyici (tasarımınıza bağlı olarak) 40MHz’e (en fazla) kadar çalışabilir, çoğu durumda 12MHz sağlamanız gerekir, çünkü 8051 döngü hızını gerçekleştirmek için 12 saat döngüsü gerektirir. Osilatör 11.6 MHz’lik bir kristale sahiptir ve 34.8 MHz’lik üçüncü üst tona veya harmoniğe ayarlanmıştır.

Çarpanlar ve Bölenler

Anakartlarda, tüm bileşenlere frekans beslemek için bir Xtal vardır. Ancak her biri farklı frekanslarda çalıştığı için ve kristal farklı çiplerde kullanılan yüksek frekanslara ulaşamadığı için çarpan ve frekans bölücü devreler kullanılır.

Bir frekans çarpanı, saat frekansını x2, x3, x4, vb. ile çarpabilen bir devreden başka bir şey değildir. Böylece baz frekansta istenilen frekanslara ulaşılır. Bölücü, tam tersini yapan bir devre iken, böler. Örneğin, CPU frekansına ulaşmak için anakart veri yolu frekansının çarpılması gerektiğinde çarpan kullanılırken, CPU veri gönderdiğinde ve CPU frekansından anakart veriyoluna gitmesi gerektiğinde frekans bölücü kullanılmalıdır.