Co je křemenný oscilátor?

Křemenný oscilátor je elektronický obvod, který generuje signál o frekvenci stanovené křemenným krystalem tvořeným z křemíku a kyslíku. Díky piezoelektrické vlastnosti křemene je to velmi dobrý rezonátor od desítek kilometrů (KHz) po stovky megahertzů (MHz). Krystalový oscilátor je obvykle navržen tak, aby pracoval pouze s jednou přesnou frekvencí. Tyto oscilátory se používají k vytváření stabilních kmitočtů v mobilních telefonech, přijímačech Global Positioning System (GPS) a obousměrných rádiích. Používají se také k přesnému měření času v hodinkách, počítačích a jiných elektronických zařízeních.

Krystal z piezoelektrického materiálu, jako je křemen, se může mírně změnit, když je na elektrodu přivedeno napětí. Jakmile je toto napětí odstraněno, krystal se může vrátit do svého původního tvaru a generovat napětí, jak to dělá. Tato vlastnost, která byla objevena v roce 1880 a nazývána piezoelektrika, je pro fungování oscilátoru kritická. Pokusy byly prováděny v průběhu času s různými krystalovými materiály a první křemenný oscilátor byl shromážděn na konci roku 1910. Od 20. let 20. století se křemíkové oscilátory často používají v hodinách i amatérských, komerčních a vojenských rádiových zařízeních.

Když je křemenný oscilátor poprvé zapnut, obvod zavede do krystalu náhodný šumový signál. Některý z těchto šumů bude vždy na rezonanční frekvenci krystalu, což způsobí, že krystal osciluje. Napětí vytvářené krystalem při změně tvaru je zesíleno obvodem křemíkového oscilátoru a přiváděno zpět do krystalového rezonátoru. Jak se tento proces opakuje, signály v krystalově omezeném frekvenčním pásmu zesílí, zatímco ostatní frekvence budou odfiltrovány. Po dokončení této zahřívací periody bude oscilátor pracovat přesně podle navržené frekvence.

Tvar, velikost a řez křemenného krystalu určují, jak rychle se rozšiřuje a stahuje. Křemenný oscilátor může pracovat takovou rychlostí, která se nazývá rezonanční frekvence. Může také fungovat při podtónové frekvenci, což je násobek rezonanční frekvence. Zatímco krystaly křemene se přirozeně vyskytují v prostředí, vyrábí se velmi velké množství, aby se zvýšil výtěžek a přísada fyzicky využitelných krystalů.

Frekvenční výstup křemenným oscilátorem může být ovlivněn řadou vnějších faktorů včetně teploty a dokonce i náhlého zrychlení. Záření ovlivní také frekvenci, ať už je to z kosmického záření v kosmické lodi, rentgenového záření nebo pulzu ionizujícího záření. Některé z těchto faktorů lze kompenzovat pomocí extra obvodu, který monitoruje podmínky a podle toho upravuje výstup oscilátoru. Některé křemenné oscilátory zahrnují přesně regulovanou pec s krystalem uvnitř, aby kompenzovaly změny teploty. Krystaly křemene mohou být také „zameteny“ nebo vytvrzeny proti záření jejich pečením ve specializované atmosféře a elektrickém poli.