Thạch anh dao động (Quartz Crystal Oscillator)

I. Định nghĩa

Thạch anh trong điện tử:

Thạch anh là dạng tinh thể của silicon dioxide, SiO2. Thạch anh được sử dụng làm bộ cộng hưởng hiệu suất cao trong các bộ lọc và bộ dao động điện tử.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định tần số của bộ dao động là: Sự biến đổi về nhiệt độ, sự biến đổi trong tải, cũng như thay đổi điện áp nguồn một chiều.

Sự ổn định tần số của tín hiệu đầu ra có thể được cải thiện rất nhiều bằng việc lựa chọn đúng các thành phần được sử dụng trong mạch hồi tiếp cộng hưởng, bao gồm cả bộ khuếch đại. Đối với các mạch bình thường LC và RC thì độ ổn định bị giới hạn.

Để đạt được mức độ ổn định dao động cao, thạch anh được sử dụng làm thiết bị xác định tần số để tạo ra một loại mạch dao động khác được gọi chung là Quartz Crystal Oscillator (XO).

Khi một điện áp nguồn được đặt lên một mảnh nhỏ tinh thể thạch anh, nó bắt đầu thay đổi hình dạng tạo ra một đặc tính được gọi là hiệu ứng Áp-điện. Hiệu ứng áp-điện là tính chất của tinh thể, khi đó điện tích tạo ra lực cơ học bằng cách thay đổi hình dạng của tinh thể và ngược lại, lực cơ học được đặt lên tinh thể sẽ tạo ra điện tích.

Thiết bị áp-điện có thể xem như là bộ chuyển đổi (transducer) khi nó chuyển đổi loại năng lượng này thành loại năng lượng khác (điện thành cơ hoặc cơ thành điện). Hiệu ứng áp-điện tạo ra các rung động cơ học hoặc dao động có thể được sử dụng để thay thế mạch LC  trong các bộ dao động trước đó.

Nhiều loại tinh thể có thể sử dụng làm bộ dao động nhưng thạch anh vẫn thường được sử dụng nhất, một phần là do độ bền cơ học lớn của nó.

Tinh thể thạch anh sử dụng trong Quartz Crystal Oscillator là một mảnh rất nhỏ, mỏng với hai bề mặt song song bọc kim loại để nối điện. Kích thước vật lý và độ dày của mảnh tinh thể thạch anh được kiểm soát chặt chẽ vì nó ảnh hưởng đến tần số cuối cùng hoặc cơ bản của dao động.

Sau khi cắt và định hình, tinh thể không thể được sử dụng ở bất kỳ tần số nào khác. Nói cách khác, kích thước và hình dạng của nó xác định tần số dao động cơ bản của nó.

Ký hiệu thạch anh

Hình trên là ký hiệu của bộ dao động thạch anh. Các tinh thể thạch anh được làm từ mảnh thạch anh mỏng được gắn chặt và điều chỉnh giữa hai bề mặt kim loại song song. Các bề mặt kim loại được nối điện. Kích thước vật lý và mật độ cũng như độ dày thạch anh được kiểm soát chặt chẽ bởi vì sự thay đổi trong hình dạng và kích thước trực tiếp tác động đến tần số dao động. Khi thạch anh được định hình và kiểm soát, tần số được tạo ra là cố định, tần số cơ bản không thể thay đổi thành các tần số khác.

Thạch anh:

Thạch anh được gọi là băng tinh, không tan thành nước, trông trong suốt như pha lê, có một đặc tính đáng chú ý: Nó bao giờ cũng mát lạnh khi ta cầm lên tay. Bởi vậy từ xưa, để kiểm tra xem là đồ thật hay đồ giả, thợ kim hoàn thường áp nó vào má xem có lạnh không.

Những tinh thể thạch anh đầu tiên được sử dụng bởi chúng có tính chất “áp điện”, có nghĩa là chúng chuyển các dao động cơ khí thành điện áp và ngược lại, chuyển các dao động cơ khí thành các xung điện áp. Tính chất áp điện này được Jacques Curie phát hiện năm 1880 và từ đó chúng được sử dụng vào trong các mạch điện tử do tích chất hữu ích này.Một đặc tính quan trọng của tinh thể thạch anh là nếu tác động bằng các dạng cơ học đến chúng (âm thanh, sóng nước...) vào tinh thể thạch anh thì chúng sẽ tạo ra một điện áp dao động có tần số tương đương với mức độ tác động vào chúng, do đó chúng được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Chẳng hạn kiểm soát những sự rung động trong các động cơ xe hơi để kiểm soát sự hoạt động của chúng.

Lần đầu tiên Walter G. Cady ứng dụng thạch anh vào một bộ kiểm soát dao động điẹn tử vào năm 1921. Ông công bố kết quả vào năm 1922 và đến năm 1927 thì Warren A. Marrison đã ứng dụng tinh thể thạch anh vào điều khiển sự hoạt động của các đồng hồ.

II. Công dụng của thạch anh trong mạch điện tử:

Thạch anh là bộ dao động khá ổn định để tạo ra tần số dao động cho vi điều khiển. Đa số các mạch điều khiển đèn Led đều dùng thạch anh có thể là Thạch anh 12Mhz, 24Mhz….mỗi loại sẽ cho ra 1 xung nhịp khác nhau.

– Thạch anh sử dụng  rất rộng rãi, hầu như ở đâu cũng có và giá thành thì nó cũng rất dẻ, khoảng 2k/1 con.

– Thạch anh trong điện tử đa phần để tạo ra tần số được ổn định vì tần số của thạch anh tạo ra rất ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ hơn là các mạch dao động RC….

– Trong Vi điều khiển bắt buộc phải có thạch anh (trừ các loại có dao động nội) vì xét chi tiết thì VDK có CPU, timer,… CPU bao gồm các mạch logic và mạch logic muốn hoạt động cũng cần có xung clock, còn timer thì gồm các dãy FF cũng cần phải có xung để đếm. Tùy loại VDK mà bao nhiêu xung clock thì ứng với 1 chu kì máy, và với mỗi xung clock VDK sẽ đi làm 1 công việc nhỏ ứng với lệnh đang thực thi.

– Để chạy các câu lệnh trong ic vi điều khiển, Bạn cần tạo ra xung nhịp. Tần số xung nhịp phụ thuộc vào thạch anh gắn trên chân kết nối thạch anh của vi điều khiển.

Ví dụ nhỏ với thạch anh 12MHz, Bạn sẽ có xung nhịp 1MHz, như vậy chu kỳ lệnh sẽ là 1μs.

Để tăng độ ổn định tần số, người ta dùng thêm 2 tụ nhỏ C6, C7 (33pF x2), tụ bù nhiệt ổn tần.

Điều này cho thấy bạn cũng có thể thay đổi nhịp nhấp nháy của đèn nếu dùng thạch anh có tần số khác.

III. Sự khác nhau giữa thạch anh và bộ dao động

Bộ dao động là một thành phần cung cấp toàn bộ kết nối với thành phần đồng hồ của bộ vi xử lý. Nó có vỏ ngoài bằng nhựa hoặc kim loại và có bốn chân mà hai trong số các chân này đóng vai trò là dây dẫn điện. Chân thứ ba của bộ dao động có vai trò là ngõ ra, còn chân cuối được sử dụng để bổ sung cho các kết nối cơ học. Bộ dao động được cấu hình với bộ đệm, có nghĩa là bộ dao động có khả năng thực hiện các tác vụ điều khiển đầu ra cao.

Bộ dao động

IV. Bộ dao động

Bộ dao động là mạch tạo ra dạng sóng liên tục, lặp lại liên tục xen kẽ mà không cần bất kỳ đầu vào nào. Bộ dao động chuyển đổi dòng điện một chiều DC thành dạng sóng xoay chiều có tần số mong muốn, được quyết định bởi các thành phần mạch bên trong. 

Bộ dao động có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau tùy thuộc theo tham số được xem xét, dựa trên cơ chế phản hồi, hình dạng của dạng sóng đầu ra, ... Có thể phân loại thành các dạng như:

• Cơ chế phản hồi: Dao động phản hồi mức cao và dao động phản hồi mức thấp.
• Hình dạng sóng đầu ra: Bộ tạo dao động dóng hình sin, sóng vuông hay sóng tam giác, ...
• Tần số của tín hiệu đầu ra: bộ dao động tần số thấp, bộ dao động âm thanh (có tần số đầu ra thuộc dải âm thanh), bộ dao động tần số vô tuyến, bộ dao động tần số cao, ...
• Dựa trên loại điều khiển tần số được sử dụng: bộ dao động RC, bộ dao động LC, bộ dao động thạch anh, ...
• Dựa trên tần số của dạng sóng đầu ra: bộ dao động tần số cố định và bộ dao động tần số thay đổi hoặc có thể điều chỉnh.

V. Khác nhau giữa thạch anh và bộ dao động

Sự khác biệt chính giữa bộ dao động và thạch anh là ở thạch anh không có nhiều tính năng như bộ tạo dao động, bởi vì nó là một trong những thành phần tạo nên bộ dao động. Thạch anh kết hợp với các bộ phận khác như bộ khuếch đại đảo ngươc, bộ đệm đầu ra thích hợp và vỏ ngoài để tạo thành bộ dao động. Hơn nữa, thạch anh cần được hiểu chỉnh chính xác để có thể phù hợp với bộ dao động. Các chi tiết khác như tham số tải hay thành phần cắt cộng hưởng cần được hoàn thiện trước khi đưa tinh thể vào bộ dao động.

Bộ dao động và thạch anh được sử dụng trong bộ vi xử lý và các thiết bị điện tử khác. Ta có thể tìm thấy các thành phần này trong máy tính xách tay, điện thoại di động hay các máy trò chơi, ... Cả bộ dao động và thạch anh đều cho phép bộ xử lý hoạt động.

Bộ dao động sẽ có giá thành cao hơn, nhưng bản thân nó có thể rung. Cả bộ dao động và thạch anh đều có những ưu điểm và nhược điểm. Thạch anh có giá thành thấp hơn nhưng bộ dao động sẽ đảm bảo hơn về mặt hiệu suất.

VI. Độ chính xác tần số

Thạch anh có cả dạng đóng gói DIP và SMD. Độ chính xác cao nhất của tinh thể thạch anh có thể đạt tới ±5ppm. Hiện nay, KDS DT-26 và Citizen CFS206 có thể đáp ứng độ chính xác cao nhất của thạch anh SMD lên đến 10ppm. Tuy nhiên, về độ chính xác, Thạch anh không thể đạt được độ chính xác cao hơn 50 ppm của bộ dao động.

VII. Kết nối mạch

Mức độ đầu ra của thạch anh có thể thay đổi và nó phụ thuộc vào tần số của mạch. Các thạch anh giống nhau có thể được sử dụng cho các điện áp khác nhau. Tín hiệu đầu ra của thạch anh kém hơn tín hiệu của bộ dao động và cần đồng bộ với mạch điện bên ngoài (tụ điện, điện trở và cuộn cảm). Điều đó có nghĩa, các thạch anh có tần số khác nhau phải phù hợp với các mạch bên ngoài khác nhau. Nên sử dụng các bộ dao động để có độ chính xác cao.

Bộ dao động có kết nối dễ dàng hơn. Nó thường được tích hợp một tụ điện và cuộn cảm để tạo thành bộ lọc loại PI và đầu ra được lọc tín hiệu bằng một điện trở có giá trị nhỏ và không cần phải sử dụng thêm mạch điện phức tạp. So với thạch anh, bộ dao động có nhược điểm là mức đầu ra cố định và có giá thành cao.

Về sự khác biệt đáng kể giữa bộ dao động và thạch anh, chúng ta phải phân tích cách chọn sử dụng thạch anh hay bộ dao động tùy theo nhu cầu.