Designing Quartz Crystal Oscillator

Dalam abad ini, jumlah perangkat yang menggunakan teknologi wireless tumbuh secara signifikan. Perangkat tersebut mulai dari alat yang paling sederhana seperti remote untuk TV sampai dengan peralatan yang sangat kompleks seperti ponsel atau satelit. Semua perangkat ini bertujuan untuk mentransfer informasi atau sinyal menggunakan gelombang radio. Gelombang radio ini memiliki frekuensi antara 3 kHz sampai 300 GHz. Setiap rentang frekuensi digunakan untuk tujuan tertentu. Misalnya, 470-860 MHz untuk transmisi TV, 1 sampai 2 GHz untuk GPS dan ponsel GSM, 2 sampai 4 GHz untuk LAN nirkabel dan oven microwave dan sebagainya. Karena begitu banyak perangkat nirkabel ini, maka jelas bahwa stabilitas frekuensi ini sangat penting. Jika frekuensi dari setiap alat ini tidak stabil, maka akan ada interferensi antara perangkat nirkabel tersebut.

Saat ini semua perangkat nirkabel yang baru dibuat, pasti menggunakan osilator kristal kuarsa sebagai sumber untuk menghasilkan frekuensi yang stabil. Oleh karena itu kualitas kristal osilator sangatlah penting dalam hal ini. Untuk mendapatkan kualitas yang baik dari osilator kristal kuarsa, maka perlu ketelitian dan sikap hati-hati dalam merancang hingga cara pembuatan Kristal osilator.

Dalam tulisan ini, akan dibahas tentang karakteristik kristal kuarsa, terutama efek piezoelektrik dari kristal kuarsa. Efek piezoelektrik adalah kemampuan dari suatu material untuk bergetar ketika diberikan tegangan pada material tersebut dan sebaliknya, apabila material tersebut diberi tekanan maka material tersebut akan menghasilkan tegangan. Kemudian akan dibahas variabel atau faktor-faktor yang mempengaruhi stabilitas dari osilator kristal kuarsa. Mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhi stabilitas dari osilator kristal kuarsa untuk merancang osilator Kristal adalah sangat penting. Karakteristik osilator kristal akan tergantung pada kemurnian bahan, sudut potong, dimensi, kekasaran permukaan dan tepinya, ketebalan, bahan elektroda, dan kebersihan.

Efek piezoelektrik dapat digambarkan pada gambar 1. Jika material piezoelektrik diberi aliran listrik maka material tersebut akan bergetar, dan sebaliknya bila diberi tekanan akan menghasilkan listrik.

Gambar 1. Efek piezoelektrik: Jika material piezoelektrik diberi aliran listrik akan bergetar, bila ditekan akan menghasilkan listrik

Banyak teknologi modern menggunakan sifat unik dari efek piezoelektrik, seperti oscillator, sensor temperature, renewable energy dan sebagainya. Salah satu bahan yang mempunyai efek piezoelektrik ini adalah Quartz Crystal seperti terlihat pada gambar 2.

Gambar 2. Natural Quartz Crystal

Quartz crystal ini banyak ditemukan didaerah pegunungan dan bahan dasarnya adalah silicon oksida atau SiO2. Selain digunakan untuk oscillator, quartz crystal ini juga digunakan sebagai perhiasan. Quartz crystal dari alam ini kurang baik digunakan untuk bahan oscillator, karena kemurniaannya tidak baik dan orientasi sumbu sumbu nya juga tidak teratur atau tidak akurat. Selain itu keberadaan atau jumlah quartz crystal di alam sangat terbatas.

Mengetahui arah orientasi sumbu pada quartz crystal adalah sangat penting karena kestabilan frekuensi dari oscillator yang terbuat dari crystal quartz ini sangat dipengaruhi oleh perubahan temperature. Hanya quartz crystal dengan sudut potong sekitar 35 derajat terhadap sumbu Z saja yang mempunyai frekuensi paling stabil terhadap perubahan temperature.
Karena keterbatasan quartz crystal yang didapat dari alam, maka dibuatlah quartz crystal buatan yang dapat dilihat pada gambar 3.

Gambar 3. Quartz Crystal Buatan

Quartz crystal buatan mempunyai banyak kelebihan dibandingkan dengan quartz crystal dari alam. Quartz buatan ini kemurniannya mendekati 100% dan arah atau orientasi sumbu X, Y, Z – nya sudah jelas dan pasti. Selain itu dapat di sediakan dalam jumlah yang besar. Berapa banyakpun kita mau tinggal diorder saja. Oleh karena itu semua crystal oscillator yang ada saat ini, materialnya adalah dari quartz buatan.

Karakteristik quartz crystal sangat tergantung dari sudut potongnya. Pada gambar 4, ditunjukan perubahan frekuensi yang di sebabkan oleh perubahan suhu untuk berbagai macam orientasi sudut potong. Setiap orientasi sudut potong mempunyai nama sendiri sendiri. Seperti terlihat pada gambar sudut potong dengan nama AT adalah yang paling flat atau paling stabil apabila temperature dinaikkan mulai dari -20 derajat celcius sampai +60 derajat celcius.

Gambar 4. Perubahan frekuensi terhadap perubahan temperature untuk berbagai macam sudut potong

Dalam gambar 5 ditunjukkan ilustrasi untuk sudut potong AT yaitu sudut potong dengan orientasi sudut sebesar 350 15’ terhadap sumbu z. Karena untuk oscillator dibutuhkan kestabilan frekuensi yang baik. Untuk sudut potong yang lainnya seperti BT, CT, DT dan seterusnya dapat digunakan sebagai sensor temperature.

Gambar 5. Orientasi sudut potong AT

Untuk pembuatan atau proses pembuatan crystal oscillator akan saya tulis pada artikel di bulan depan.