Warum werden Kondensatoren mit Quarzoszillator verwendet?

Andy hat eine gute Antwort gegeben. Hier ist eine andere Perspektive, die die vom Kristall verbrauchte Leistung betrachtet ...
Aus Andys Diagrammen geht hervor, dass der Oszillator wahrscheinlich nicht schwingt, wenn die beiden hinzugefügten Kondensatoren (C1 und C2) kleine Werte haben. In einer Simulation ein 74HCU04 10 MHz. Der Kristalloszillator startete nicht, wenn C1 und C2 viel weniger als 5 pf waren. In dieser Schaltung wurde dem HCU04-Ausgangspin kein Vorwiderstand hinzugefügt, wie in Andys Beispielschaltung: (R1). Für C1, C2 = 5pf waren die Schwingungen schwach und die Schaltung wäre unzuverlässig. Die im R1 des Kristalls (20 Ohm) verbrauchte Wechselstromleistung betrug 1,25 uW, gut innerhalb der typischen Kristallleistungsspezifikation von etwa 100 uW. Die Quarzfrequenz wäre etwas höher als 10,0 MHz, da C1 und C2 unter der Spezifikation der Quarzhersteller von 18 pf liegen.

Bei größeren Werten von C1 und C2 beginnen die Oszillationen leichter und bauen sich robuster auf, um sich schließlich mit einem größeren Kristallstrom (und einer größeren Leistung) einzupendeln:

• C1 & C2 = 5,0 pf .... Leistung 1,25 uW
• C1 & C2 = 8,0 pf .... Leistung 6,5 uW
• C1 & C2 = 20 pf....Leistung 77 uW
• C1 & C2 = 47 pf....Leistung 314 uW

Dieser letzte Fall (C1 & C2 = 47pf) übersteigt die vom Hersteller empfohlene Verlustleistung für den Kristall. Die Oszillatorfrequenz für diesen Fall würde auf der niedrigen Seite von 10 MHz liegen. Die Kondensatoren C1 und C2 werden normalerweise so gewählt, dass die Oszillatorfrequenz sehr nahe an der Zielfrequenz des Quarzherstellers liegt, da die Frequenz oft von größter Bedeutung für die Schaltungen ist, die dieser Oszillator antreibt.
Eine zu geringe Kapazität erhöht die Oszillatorfrequenz und riskiert einen schwachen Oszillator, der sich weigert zu schwingen.
Zu viel Kapazität läuft bei einer niedrigeren Oszillatorfrequenz und riskiert, den Kristall mit zu viel Leistung zu beschädigen. Ein solcher robuster Oszillator kann möglicherweise auch bei anderen störenden Kristallresonanzen als der Grundfrequenz laufen. In dieser einfachen Simulation ist nur die fundamentale Kristallresonanz enthalten.

kann jemand bitte erklären, warum Kondensatoren verwendet werden

Zunächst ist unten eine typische Schaltung dargestellt, auf der Phasenwinkel markiert sind, um ungefähr eine Oszillation zu erreichen: -

• Der Inverter liefert 180°
• R1 und C1 liefern etwa 10°
• Der Kristall und C2 bieten weitere 170°

Wenn Sie keine Kondensatoren hätten, würden Sie keine Phasenverschiebung von insgesamt 360 Grad erhalten, und das bedeutet, dass es nicht oszillieren würde. Wenn Sie ein Simulationstool verwenden und den Kristall modellieren, sehen Sie so etwas (unten). Dies ist die kombinierte zusätzliche Phasenverschiebung, die durch die Änderung der Werte von C1 und C2 hervorgerufen wird: -

Die blaue horizontale Linie markiert die „hinzugefügte“ Phasenverschiebung von genau 180° – das wäre der Schwingungspunkt. Alles unter 10 pF würde wahrscheinlich nicht oszillieren, also benötigen Sie die Kondensatoren, damit sich die Gesamtphasenverschiebung um die Schleife auf 360 ° summiert.

und warum diese 22pF?

Nun, es gibt Oszillatoren, die mehr benötigen, und einige, die weniger benötigen. Das XTAL-Datenblatt gibt normalerweise an, welcher Wert erforderlich ist.

Wie haben sie gerechnet?

Sie müssen die Empfehlungen im Datenblatt beachten und auch den zusätzlichen Effekt der Gate-Eingangskapazität berücksichtigen.

Verwandte Antwort und auch Entwerfen eines Oszillators .

Die Quintessenz ist, dass ein Oszillator nur dann schwingt, wenn die Phasenverschiebung 360° (oder 0°) beträgt und es genügend Verstärkung (größer als 1) um die Schleife gibt.

Einfache Antwort : Damit die Schaltung schwingt, müssen wir eine positive Rückkopplung herstellen (360-Grad-Phasenverschiebung innerhalb der gesamten Schleife, einschließlich der 180-Grad-Phasenverschiebung des Wechselrichters).

Das bedeutet: Wir brauchen ein Rückkopplungsnetzwerk, das bei der gewünschten Schwingungsfrequenz eine weitere 180-Grad-Phasenverschiebung liefert. Zu diesem Zweck können wir einen passiven Tiefpass dritter Ordnung oder einen passiven Hochpass dritter Ordnung verwenden. Ein Netzwerk dritter Ordnung ist notwendig, da ein Filter zweiter Ordnung 180 Grad nur bei unendlichen Frequenzen liefert.

In der gezeigten Schaltung haben wir ein Leiternetzwerk dritter Ordnung (R1-C1-L2-C2), das als Tiefpass arbeitet . Bitte beachten Sie, dass der Quarz in diesen Fällen als hochwertige Induktivität L2 und NICHT als Reihen- oder Parallelschwingkreis arbeitet. Die gewünschte Frequenz (bei der der Kristall als Induktivität wirkt) liegt zwischen diesen beiden Resonanzpunkten.