Oszcillátorok

Az oszcillátor egy olyan áramkör, mely periodikusan feszültséget vagy áramot produkál. Az előállított jel nem függ semmilyen bemenő jeltől, az áramkört általában egy egyenáramú feszültségforrás táplálja. Az előállított jel lehet szinuszos (harmonikus oszcillátor), négyszögű, fűrészfogjel, stb. (relaxációs oszcillátor). Az oszcillátor tulajdonképpen egy pozitívan visszacsatolt erősítő, mely a saját kimenetét újból felerősíti. Fontos feltétel, hogy a visszacsatolt jel a kimenettel azonos fázisban érkezzen a bemenetre (a visszacsatolás legyen pozitív) és hogy a visszacsatolt erősítő nyeresége (ßA) legyen 1.

\[A_v=\frac{A}{1-\beta A}\]

„A” az erősítő erősítése, „Av” a pozitívan visszacsatolt erősítő erősítése, ß pedig a visszacsatolási tényező mely meghatározza, hogy a kimenő jel milyen mértékben érkezik vissza a bemenetre, ßA-ként írva a nyereséget jelenti. Ha például feszültségerősítésről van szó, akkor a visszacsatolt bemenet a következőképp írható fel:

\[V_{be}=\beta V_{ki}\]

Az erősítő kimenete pedig:

\[V_{ki}=AV_{be}\]

Ha ezt behelyettesítjük az előző egyenletbe, akkor kiderül, hogy:

\[V_{be}=\beta AV_{be}\implies 1=\beta A\]

Egyébként is látható, ha Av képletében ßA>1, akkor az erősítés folyamatosan növekszik, ha ßA<1, akkor folyamatosan csökken. Ezekben az esetekben is oszcillál az áramkör, de csak nagyon kevés ideig, a kimenet hamar eltorzul. Ha az erősítést zérótól felfele változtatjuk, akkor arra a következtetésre jutunk, hogy egyre kisebb bemenet kell az azonos nagyságú kimenethez. Mikor ßA=1, akkor már bemenő jel nélkül is működik az erősítő, mert teljes mértékben a saját kimenetét erősíti újra. A zéróval való osztás miatt Av értéke végtelen lesz (azaz a jel amplitúdója legfeljebb a tápfeszültséggel lesz egyenlő) tehát a sávszélesség egyetlen frekvenciára szűkül (ezért szűrőként is alkalmazható), amin az áramkör stabilan oszcillálhat a végtelenségig. Az oszcilláció frekvenciáját a visszacsatolást alkotó rezgőkörök segítségével lehet beállítani. Ezek lehetnek RC (pl. a Wien-hidas oszcillátorokban), LC (pl. a Meissner, Colpitts vagy Hartley oszcillátorokban) vagy kvarckristály rezgőkörök. Használható RL rezgőkör is, azonban ezzel nem lehet szinuszos jelet generálni, vele csak relaxációs oszcillátorok építhetők. Az oszcillátorokat leggyakrabban a rezgőkörük szerint osztályozzák:

1. LC rezgőkörös oszcillátorok
1. Kollektorra kapcsolt oszcillátor
2. Bázisra kapcsolt oszcillátor
3. Hartley oszcillátor
4. Colpitts oszcillátor
5. Clapp oszcillátor
2. RC rezgőkörös oszcillátorok
1. Fázistoló oszcillátor
2. Wien-hidas oszcillátor
3. Kettos T-szűrős oszcillátor
4. Áthidalt T-szűrős oszcillátor
3. RL rezgőkörös oszcillátorok
4. Kvarckristály rezgőkörű oszcillátorok
1. Párhuzamos rezonancia
2. Soros rezonancia

LC rezgőkörös oszcillátorok (néhány KHz-től pár száz MHz-ig, legfeljebb 1GHz-ig)

A hangsúly a tekercsen és a kondenzátoron van. A kettő felváltva működik energiaforrásként és energiatárolóként: a kondenzátor a tekercsen sül ki, amiben az áram mágneses erőteret hoz létre. Miután a kondenzátor kisült a tekercsben nem folyik több áram és a mágneses mező elkezd összeomlani. Az összeomlás feszültséget indukál és az áramot indít amitől a kondenzátort töltődni kezd. Miután a kondenzátor feltelt ismét elkezd kisülni a tekercsen. Az alkatrészek veszteségei miatt a jel amplitúdója folyamatosan csökken, ezért van szükség az erősítőre. Éppen a veszteségek miatt, az LC rezgőköröket csak nagy frekvenciákra tervezik (legkevesebb 100kHz-re), mert különben nagy értékű LC elemeket kéne alkalmazni melyeknek a veszteségük is nagyobb.

Ahhoz, hogy a tekercs és a kondenzátor egyformán adogassa át egymásnak az energiát, a tekercs és a kondenzátor reaktanciája egyenlő kell legyen egymással:

\[X_L=\omega L = X_C=\frac{1}{\omega C}\]

Mivel az induktív reaktancia a frekvencia növekedésével növekszik és a kapacitív reaktancia a frekvencia növekedésével csökken, ezért csak egy frekvencia van, ahol ez a két reaktancia egyenlő értéket vesz fel.

\[\omega L=\frac{1}{\omega C}\implies \omega=\frac{1}{\sqrt{LC}}\]

Mivel ω=2πf, az LC rezgőkör rezonanciafrekvenciája a következő lesz:

\[f=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}\]

Ideális esetben az áramkört elég lenne egyetlen impulzussal elindítani, amely csak addig tart míg a kondenzátor feltelik. Utána az áramkör oszcillálna a saját rezonanciafrekvenciáján.

A soros és a párhuzamos kapcsolás között az áramfolyás tesz különbséget.

A párhuzamos rezgőkör esetén váltóáramnál a kondenzátor rövidzárként, a tekercs szakadásként, egyenáramnál pedig a kondenzátor szakadásként és a tekercs rövidzárként viselkedik, tehát mindkét esetben a két kapocs közti vezetés nagy áram folyását teszi lehetővé. A soros rezgőkörben váltóáramnál a kondenzátor rövidzárként, a tekercs szakadásként, egyenáramnál pedig a kondenzátor szakadásként és a tekercs rövidzárként viselkedik, tehát mindkét esetben a két kapocs közti szakadás semmilyen áram folyását nem teszi lehetővé.

A rezgőköröket be lehet építeni tranzisztoros, FET-es vagy műveleti erősítős erősítők visszacsatolásába is. Az LC oszcillátorokat leginkább rádiófrekvenciás jeleknél használják (mixerek, hangolók, vivőjel generátorok stb.). Az LC oszcillátorok legismertebb formái a következő ábrákon láthatók. A kondenzátorok és ellenállások melyek nem a rezgőkörök részei, a tranzisztorok munkapontjának beállítására szolgálnak.

Kollektorra kapcsolt oszcillátor: 

Egy tranzisztor kollektora és bázisa között egy transzformátor és egy kondenzátor van. A transzformátor szekunder tekercse visszacsatolja a primerben keletkezett oszcillációkat a tranzisztor bázisára, ami újból felerősíti azokat.

Bekapcsoláskor a tranzisztor kinyit és a rezgőkör működésbe lép. Az L2-ben létrejövő feszültség fázisa 180°-al el lesz tolva L1 feszültségéhez képest. A fázistolást a tekercs menetének iránya határozza meg. A tranzisztor további 180°-al tolja el a fázist és így együtt 360° lesz a fáziskülönbség ami azonos fázist jelent. Az rezonanciafrekvenciát C1 kapacitásának változtatásával lehet változtatni.

Bázisra kapcsolt (vagy Armstrong vagy Meissner) oszcillátor: 

Egy tranzisztor bázisa és a föld között egy transzformátor és egy kondenzátor található. A transzformátor primer tekercse és a kondenzátor alkotja a rezgőkört, a szekunder tekercs pedig vissza van csatolva a kollektorra.

Bekapcsoláskor a tranzisztor bekapcsol és a kollektoráram növekedni kezd. A kollektoráram átfolyik L2 szekunder tekercsen. Ez feszültséget indukál L1 primer tekercsen amely feltölti C1 kondenzátor és beindul a rezgés. Az oszcilláló áram és feszültség Cc kondenzátoron a tranzisztor bázisára van csatolva és ez felerősödik a kollektoron ami újból eljut L2 tekercsre. A tekercs és tranzisztor ebben az esetben is 180+180 fokos fázistolást produkál.

Hartley oszcillátor: 

A rezgőkör két sorba kapcsolt tekercsből és egy kondenzátorból áll. Nevét az amerikai Ralph Vinton Lyon Hartley-ról kapta, aki 1915-ben találta fel. Ez az oszcillátor 20kHz-től 30MHz-ig képes jeleket generálni.

Bekapcsoláskor a tranzisztor bekapcsol és tölteni kezdi C1 kondenzátort és beindul a rezgokör. Mivel két egyforma tekercs van a rezgőkörben sorba kötve, a sarkaikon lévő feszültség 180 fokos fáziseltéréssel lesz jelen. Az L2 bázisra való visszacsatolása a tranzisztoron át újabb 180 fokot tol a jel fázisán így ismét fázisban lesz minden. Fontos megjegyezni, hogy a két tekercs ne transzformátort alkosson, különben kialakul a kölcsönös induktancia. A Hartley oszcillátort műveleti erősítővel vagy FET-ekkel is meg lehet építeni, az ismertető jel a két sorba kapcsolt tekercs.

Colpitts oszcillátor: 

A rezgőkör két sorba kapcsolt kondenzátorból és egy tekercsből áll. Nevét a kanadai Edwin Henry Colpitts-ról kapta, aki 1918-ben találta fel. Ez az oszcillátor 20kHz-től 300MHz-ig képes jeleket generálni. A kapacitív feszültségosztó sokkal stabilabb frekvenciát biztosít mint Hartley induktív feszültségosztója.

Bekapcsoláskor a tranzisztor bekapcsol és a két kondenzátor töltődni kezd majd elindul az oszcilláció. A két fázistolás itt is megtörténik és a rezgések a tranzisztoron át újból felerősödnek.

Clapp oszcillátor:

A rezgőkör két sorba kapcsolt kondenzátorból valamint egy sorbakapcsolt tekercsből és egy változtatható értékű kondenzátorból áll. Nevét az amerikai James Kilton Clapp-rol kapta, aki 1948-ben találta fel. Tulajdonképpen a Colpitts módosított változata. A hozzátett változtatható értékű kondenzátor feladata a stabilitás növelése. A C1,C2 kapacitásokhoz hozzáadódó egyéb kapacitásokat kompenzálja. A rezonanciafrekvencia számításakor C értékébe bele kell beleszámolni C3 értékét is mint C2-vel sorosan kapcsolt kondenzátort.

Az áramkör működése ugyanúgy zajlik, mint a Colpitts oszcillátoré.

RC rezgőkörös oszcillátorok (néhány Hz-től pár száz kHz-ig, legfeljebb 1MHz-ig)

A hangsúly a kondenzátoron van, ami fegyverzetei között felépíti az elektromos mezőt. Az energia amivel felépítette ezt a mezőt, a kondenzátor kisülése közben szabadul fel. A kisülés az ellenálláson keresztül megy végbe és ugyanezen is töltődik fel. Az ellenállás nem képes az energiát visszafordítható alakban tárolni mint a tekercs, legfeljebb hővé alakítja, éppen ezért az áramkör nem rezeg önmagában. Ez tulajdonképpen egy felül-áteresztő szűrő. Kis frekvencián a kondenzátor ellenállása nagy, nagy frekvenciákon pedig kicsi és „átereszti” a jeleket.

Ahogyan az LC oszcillátornál itt is feltétel, hogy a rezgőkört alkotó elemek ellenállása egyezzen:

\[R=X_C=\frac{1}{\omega C}\implies\omega =\frac{1}{RC}\]

Mivel ω=2πf, az RC rezgőkör rezonanciafrekvenciája a következő lesz (ha szűrőként értelmezzük az áramkört, akkor ez a vágási frekvencia):

\[f=\frac{1}{2\pi RC}\]

Felírható a kimenet és a bemenet közti összefüggés és a fázistolás mértéke:

\[\begin{array}{l r}V_o=\frac{R}{R-jX_C}V_i  && \varphi=\text{tan}^{-1}\frac{X_C}{R}\end{array}\]

Ebből az következik, hogy nulla fázistoláshoz Xc-nek kell nullának lennie, ami lehetetlen és ha R értékét húzzuk le nullára akkor a fázistolás 90° lesz. Ez nem lehetetlen, de nincs értelme, mert akkor a kimeneten semmilyen feszültséget nem lehet majd mérni. A gyakorlatban működne, ugyanis nincs nulla ellenállású vezeték, de a frekvencia stabilitása igencsak gyenge lenne. Általában az RC rezgőkörök fázistolását 60°-ra állítják és mivel szükséges a 180 fokos fázistolás az erősítés miatt, három rend RC tagot szoktak sorba kötni. Ezt a kombinációt már fázistoló oszcillátornak hívják. Következzenek a leghasználtabb típusok:

Fázistoló oszcillátor: 

Egy általános RC oszcillátor, amiben több RC rezgőkör követi egymást (nem csak három). Mivel egy RC-tag fázistolása 0 és 90° között állítható, a 180 fokos fázistolás kialakítható például hat darab 30°os fázistolással is. Ha az RC-tagok értékei egyeznek, akkor a produkált oszcilláció frekvenciája a következő (N az RC-tagok száma):

\[f=\frac{1}{2\pi RC\sqrt{2N}}\]

A fenti kapcsoláson a visszacsatolás a kollektorról a bázis irányában történik, és mindenik RC tag 60 fokot tol a jel fázisán. Bekapcsoláskor Rb ellenálláson keresztül a tranzisztor kivezérlődik és a kollektoron meginduló áram a visszacsatoláson rögtön eljut az első RC taghoz. A kondenzátor feltöltődik majd a hozzá tartozó R ellenálláson kisül és közben feltölti a második kondenzátort. A második kondenzátor ugyanígy tesz a harmadik kondenzátorral és a harmadik kondenzátor kisülésekor a tranzisztor vezérlődik újból ki. A Vcc-t közben már lekapcsoltuk, hogy míg a harmadik kondenzátor telik, addig a tranzisztor ne legyen kinyitva. Fontos, hogy a töltés-kisülés ugyanabban a ritmusban történjen, tehát mikor a tranzisztor kivezérlődik, az első kondenzátor már legyen kisülve hogy újból telni tudjon. Ha valami meg is zavarja a frekvenciát, a kimeneten úgyis csak az a frekvenciakomponens jelenik meg, melynél a jel pontosan 180 fokos fáziseltolást szenved.

Wien-hidas oszcillátor:

Amint az a nevéből is látszik, a Wien-hídkapcsoláson alapszik. Egy párhuzamosan és egy sorosan kapcsolt RC tagból áll.

A sorosan kapcsolt RC egy felül áteresztő, míg a párhuzamosan kapcsolt RC egy alul áteresztő szűrő, ami így együtt sávszűrőt alkot. Alacsony frekvencián a soros kondenzátor reaktanciája igen nagy, azaz szakadásként működik, nem engedi át a bemenő Vi-t és ezért kimenet sem lesz. Ugyanekkor a soros kondenzátor reaktanciája igen kicsi, azaz zárlatként működik tehát a kimeneten nem mérhető semmi. Alacsony frekvencián a kondenzátorok szerepe megfordul és a kimeneten csak nem fog folyni áram. A két véglet között azonban van egy frekvencia, ahol a kimenet eléri a maximum értéket (a bemenet 1/3-át) és ez a rezonanciafrekvencia. Amikor ezt eléri, akkor a fázistolás értéke nulla lesz. A nulla fázistolás miatt nem előnyös tranzisztoros erősítőknél használni, mivel a tranzisztor bázis-kollektora közti 180°-os fázistolást kompenzálni kell (például egy másik tranzisztorral), ehelyett a műveleti erősítős kapcsolás a megfelelő, mely nem-invertáló bemenete nem invertálja a jelet, azaz nem tolja el a fázisát.

A műveleti erősítő kimenete mindkét bemenetre vissza van csatolva. A negatív visszacsatolás feszültségosztója az erősítést korlátozza, a pozitív visszacsatolás pedig a Wien-híd rezgőkör. Mivel a rezonanciafrekvencián a jel amplitúdója a bemenet 1/3-a, ezért a műveleti erősítő erősítését R2/R1 képlettel 3-ra kell állítani. Ha ennél kisebb, a jel folyamatosan gyengülni fog, ha ennél nagyobb, akkor folyamatosan erősödni. Bekapcsoláskor, ha a kondenzátorok nem voltak feltelve, akkor feltelnek, előbb a soros majd a párhuzamos, majd kisülnek jelet adva a pozitív bemenetre. Ha az ellenállások vagy a kondenzátorok állíthatóak, akkor tételezzük fel, hogy nem a rezonanciafrekvencián történik a töltés-kisülés. Ebben az esetben a fázistolás történik és a műveleti erősítő két bemenete között potenciálkülönbség lép fel, ezt az erősítő felerősíti a megfelelő előjellel és a kimenetre adja. Ha az erősítés nem pont ugyanakkora mint a veszteség, akkor a kimenet lassan eltörpül vagy pedig egyre jobban felerősödik mindenféle zajjal együtt. Ha viszont a rezgőkör elemei jól meg vannak választva, akkor a rezonanciafrekvencián a jel nem szenved fázistolást, a jel fázisa azonos lesz a műveleti erősítő mindkét bemenetén. A különbség az amplitúdóban lesz, a nem-invertáló bemeneten 3-szor kisebb lesz a jel amplitúdója mint az invertáló bemeneten. Az erősítőben az invertált bemenet eltolja a jel fázisát 180°-al és ezért kioltják egymást a nem-invertált jellel. Nem teljesen, csak amíg az amplitúdó különbségük engedi, azaz a jel 2/3-a megmarad és ezt az erősítő felerősíti hozzáadva a hiányzó 1/3-ot. A folyamat ezután ismétli önmagát.

Kettős T-szűrős oszcillátor: 

Egy kettős T-alakú szűrővel van kivitelezve a rezgő visszacsatolás. Egyik alul, a másik felül áteresztő szűrő. A különbség a Wien-híd működésével szemben az, hogy T-szűrő fázisforgatása 180 fok és hogy a sajátfrekvencián nulla kimenetű – sávzáró szűrő, ezért az invertáló bemenetre kell kötni.

Szimmetrikus esetben R=R1=R2, C=C1=C2 és R3=R/2, C3=2C. A pozitív visszacsatolás tartja stabilan a kimenet előjelét, mivel a rezonanciafrekvencián a negatív visszacsatoláson nem érkezik zavaró jel.

Áthidalt T-szűrős oszcillátor: 

Egy T-szűrő, melynél a T alak felső két eleme át van hidalva egy harmadik elemmel. A fázistolás nulla fok, a különbség a Wien hídhoz képest hogy ez nem sávszűrő, hanem sávzáró szűrő, a rezonanciafrekvencián a jel amplitúdója minimális. A sávzárás miatt negatív visszacsatolásként kell bekötni, akár a kettős T-szűrőt.

Mivel az RC-szűrő önmagában nem rezeg, ezért nehéz fenntartani a stabil rezgéseit mikor oszcillátor-áramkörben szerepel. Az oszcillációhoz nem csak fázis-kritérium, de az erősítő nyeresége is létfontosságú. Ha a műveleti erősítő kimenti feszültsége no, akkor a negatív visszacsatolás mértékének is meg kell nőnie, hogy az erősítés kisebb legyen. Ha a kimeneti feszültség csökken, akkor a folyamat fordított. Az erősítés ilyenszerű dinamikus állítása több félképp is megoldható. A HP cég (William Hewlett és David Packard) első termékében például izzólámpát használtak a Wien-hídas oszcillátorukhoz. Pontosabban, a pozitív visszacsatolás lehúzó ellenállásával kötötték sorba, mely nagy feszültség hatására izzani kezd és az izzás során megnő annak ellenállása, tehát az erősítés csökken. A szintfüggő erősítés ma már diódákkal és FET-ekkel valósítják meg.

RL rezgőkörös oszcillátorok

A hangsúly a tekercsen van, mely maga köré felépíti a mágneses mezőt. Az energia mivel felépítette ezt a mezőt, a mágneses mező megszűnése közben szabadul fel. A felszabadult energia az ellenálláson keresztül vezetődik le és ugyanez segítségével épül is fel. Az ellenállás nem képes az energiát visszafordítható alakban tárolni, hővé alakítja, éppen ezért az áramkör nem rezeg önmagában. Ez tulajdonképpen egy felül-áteresztő szűrő.

Ebben az elrendezésben az alacsony frekvenciájú Vi jelre a tekercs ellenállása nagyon kicsi lesz, csaknem rövidre zárva a kimenetet, Vo közel nulla. Magas frekvenciákon a tekercs ellenállása megnő és átengedi a jeleket. (Az alul- és felül áteresztő LC elrendezés abból a tényből ismerhető fel vagy rajzolható le, hogy a tekercs egyenáramban – azaz nulla frekvencián – zárlatként működik, váltóáramban – azaz magas frekvencián – pedig szakadásként. A RC szűrőknél fordítva.)

Ahogyan az LC oszcillátornál itt is feltétel, hogy a rezgőkört alkotó elemek ellenállása egyezzen:

\[R=X_L=\omega L\implies\omega =\frac{R}{L}\]

Mivel $\omega=2\pi f$, az RL rezgőkör rezonanciafrekvenciája a következő lesz (ha szűrőként értelmezzük az áramkört, akkor ez a vágási frekvencia):

\[f=\frac{R}{2\pi L}\]

A tekercsre kapcsolt feszültség hatására nem rögtön kezd el folyni az áram a tekercsen, hanem csak fokozatosan növekedve, mert a kialakuló mágneses tér az ellentétes irányban próbál áramot indukálni. Pontosabban az áram késik a feszültséghez képest, ideális esetben 90 fokkal van lemaradva. Amint a tekercsről lekapcsoljuk feszültséget az áram rögtön elindul visszafele, akár a kisülő kondenzátor esetén. Innentől kezdve pontosan úgy működik minden, mint az RC rezgőköröknél, azzal a különbséggel, hogy az alul- és felül áteresztő szurok elemei helyet cserélnek (hiszen a tekercsnél az áram késik, nem pedig a feszültség).

Az RL szűrőket ritkán használják rezgőkörnek, mert alacsony frekvencián nagy és költséges tekercsekre van szükség, magas frekvenciákon pedig túl nagy veszteségűek.

Kvarckristályos rezgőkörű oszcillátorok (néhány kHz-től több száz MHz-ig)

A kristály oszcillátoroknál a frekvenciát meghatározó elem a kvarckristály (pl. szilícium-dioxid). Ha a kvarcra  a sajátfrekvenciájával megegyező váltóáramot kapcsolunk, akkor az rezgésbe jön. A rezgés oka feszültség okozta a mechanikai deformáció, ami szintén elektromos feszültséget kelt (piezoelektromosság). Más szóval a kvarckristályok az elektromos energiát mechanikai energiaként tárolják, és abból alakítják vissza elektromos energiává. A kvarckristályok sajátfrekvenciáját nem lehet az áramköri elemek megválasztásával beállítani, hanem azt a gyártás során határozzák meg. A rezonanciafrekvenciát kis mértékben szabályozni lehet a kristállyal sorosan kapcsolt változtatható értékű kondenzátorral (trimerrel), melynek nagyobb a kapacitása, mint a kristálynak. Ha a kristállyal párhuzamosan kapcsolunk egy kondenzátort, akkor a kristály impedanciája alacsony lesz (párhuzamos rezonancia), a párhuzamos kondenzátor nélkül viszont magas impedanciájú marad (soros rezonancia). A két típusú rezonancia üzemmódot a következő ábra szemlélteti:

A kristályt mindkét módban lehet használni, de egyszerre csak egyben. Az üzemmód akkor fontos, ha számít a periódusok (pontosabban a fel- és lemenő élek) pontossága. Például időzítéseknél, ahol a kristály frekvenciája adja az órajelt. Ahogyan a fenti görbén látszik, a kristály impedanciája a két módban másképp változik. A soros rezonanciánál (fs) az induktív és kapacitív reaktanciák egyenlők, a kristály tisztán ohmos ellenállású. Párhuzamos rezonanciánál az impedancia pozitív értéket vesz fel tehát a kristály induktív jellegűvé válik. Ebben a módban a rezonanciafrekvencia bármi lehet fs és fa (anti-rezonancia) között. Ezt a kristályon lévő terhelés határozza meg és éppen ezért a gyártónak meg kell adnia milyen kondenzátor milyen frekvenciát produkál, ha párhuzamosan kötjük azt a kristállyal. A két mód között csupán néhány kHz különbség van. A mikrovezérlőknél például az XTAL nevű kivezetések számán már rögtön látszik, hogy milyen üzemmódban kell használni a kristályt: ha egy ilyen kivezetés van, akkor párhuzamos módban (a kistály másik lába a földre megy), ha kettő, akkor soros üzemmódban. Ezen kívül a kristály még képes a felharmonikusain is oszcillálni, általában a rezonanciafrekvenciájának páratlan számú többszörösein, de csak kisebb amplitúdóval.

Párhuzamos rezonancia (Pierce-oszcillátor)

Mivel ennél a típusnál a kristály induktív jellegű, a kristállyal párhuzamosan kell kapcsolni egy kapacitív jellegű elemet (kondenzátort), a rezonáns áramkör elérése érdekében. Ezzel kissé csökkenni fog a rezonanciafrekvencia. Az induktív reaktancia csökkenthető, ha sorba kapcsolunk egy kondenzátort a kristállyal. Ezzel kissé nőni fog a rezonanciafrekvencia. E két módszerrel tehát keskeny sávban ugyan (fs és fa között), de állítható lesz az oszcilláció frekvenciája. A párhuzamos rezonanciájú kristály az áramkörben szakadásként viselkedik.

Soros rezonancia (30MHz fölött)

Ennél a módszernél a rezonanciafrekvencia nem függ egyéb kapacitásoktól, mert az ilyen áramkörök visszacsatolásában általában nem szerepel semmilyen reaktív komponens. A kristály a rezonanciafrekvenciáján zárlatként viselkedik.

Kvarckristályokkal bármilyen más oszcillátort is meg lehet valósítani, a fenti ábra például a Colpitts-oszcillátort ábrázolja. A tranzisztor bázisán bemenő jel fázisa 180 fokot késik a kimeneten. A rezgőkörben újabb 180 fokot tolódik a jel és ezáltal fázisban csatolódik vissza a tranzisztor bemenetére. C1 és C2 kondenzátor megsöntöli a tranzisztor kimenetét csökkentvén a visszacsatolt jel nagyságát. A nyereséget tehát C1 és C2 kondenzátor korlátozza.

A fenti ábra egy tranzisztoros és egy inverteres Pierce-oszcillátort szemléltet. A tranzisztor visszacsatolásában egy párhuzamos rezonanciájú rezgőkör található. A C4 és C5 kondenzátorok itt lesöntölik tranzisztor kimenetét szabályozván az erősítés mértékét.

Az inverter (ami lehet akár egy tranzisztoros NOT kapu is) az erősítőfokozat 180 fokos fázistolását jelképezi, ami az R1-C1-C2 pi-hálózat 180 fokos fázistolásának kompenzálásához kell. A teljes tolás tehát 360 fok. Az inverter nem egy egyszerű fázistoló, az oszcilláció feltétele értelmében erősítenie is kell. Az Rf ellenállás a negatív visszacsatolás ami az erősítést szabályozza. A mikrovezérlős vagy egyéb órajelt igénylő IC-s kapcsolásokban ez az ellenállás nincs a rajzokon, ugyanis integrálva van a chip-be és általában igen magas értékű. A C1 és a C2 kondenzátor együttese alkotja a kristályra kapcsolt párhuzamos terhelést. Ezek értékei egyenlők szoktak lenni (kb 5pF). Minél nagyobb annál stabilabb az előállított frekvencia de annál kisebb a hurok nyeresége, ezért bekapcsoláskor nehezebben éri el a rezonanciát. R1 a kristályt terhelő áramot szabályozza. Ha R1 ellenállása megegyezik C1 váltakozó áramú ellenállásával (R1=Xc1), akkor feszültségosztóként az inverter kimenetének fele fog a kristályra kerülni.

Példa: A következő kapcsolás alkalmas a kvarckristályok tesztelésére.

Az XTAL helyére bármilyen kvarckristály betehető. A kristály frekvenciájától és típusától függően változik az amplitúdó a kimeneten (BNC csatlakozón). A kapcsolás egy Colpitts oszcillátor, C1-C2 feszültségosztóval. A kristállyal sorba kapcsolt változtatható kapacitású kondenzátorral hangolni lehet egy keveset a jelalakot, ha szükséges, a JP1 hidalással mindez kiiktatható. Az oszcillátorhoz tartozó T1 kimenetére kapcsolódik a T2 erősítőfokozat, hogy a kimenő jel amplitúdója nagyobb legyen.

A 4 kivezetésű kristályok vagy másnéven tokozott kristály oszcillátorok a tokjukban tartalmazzák C1-C2 kondenzátorokat és az erősítőfokozatot. A megfelelő tápfeszültséggel a kimeneten váltóáramot produkálnak.

Összehasonlítva a kimenetét egy 25MHz-es kristálynak a tesztelőben és a tokozott oszcillátornak, az eredmény nagyjából egyezik: