Kristal

Kristal lazimnya digunakan untuk rangkaian osilator yang menuntut stabilitas frekuensi yang tinggi dalam jangka waktu yang panjang. Alasan utamanya adalah karena perubahan nilai frekuensi kristal seiring dengan waktu, atau disebut juga dengan istilah faktor penuaan frekuensi (frequency aging), jauh lebih kecil dari pada osilator-osilator lain. Faktor penuaan frekuensi untuk kristal berkisar pada angka ±5ppm/tahun, jauh lebih baik dari pada faktor penuaan frekuensi osilator RC ataupun osilator LC yang biasanya berada diatas ±1%/tahun.

Simbol KristalKristal juga mempunyai stabilitas suhu yang sangat bagus. Lazimnya, nilai koefisien suhu kristal berada dikisaran ±50ppm direntangan suhu operasi normal dari -20°C sampai dengan +70°C. Bandingkan dengan koefisien suhu kapasitor yang bisa mencapai beberapa persen. Untuk aplikasi yang menuntut stabilitas suhu yang lebih tinggi, kristal dapat dioperasikan didalam sebuah oven kecil yang dijaga agar suhunya selalu konstan.

Tatanan Fisik

Material yang mempunyai bentuk struktur kristalin, seperti quartz, mempunyai satu sifat unik yaitu mampu menghasilkan tegangan listrik ketika diberi tekanan mekanikal dan juga sebaliknya, berubah bentuk mekanikalnya ketika diberi tegangan listrik. Sifat ini dikenal dengan nama efek piezo-electric.
Sifat inilah yang dimanfaatkan untuk menghasilkan resonansi listrik-mekanik, sehingga kristal akan bergetar pada frekuensi alami tertentu jika diberi tegangan listrik bolak-balik. Frekuensi alami ini ditentukan oleh potongan dan dimensi keping kristal, yang ditetapkan pada saat pembuatan.
Karena potongan dan dimensi keping kristal dapat dikontrol secara presisi pada saat proses produksi, maka kristal mempunyai frekuensi getar alami yang sangat akurat. Akurasi kristal umumnya berada pada kisaran ±30ppm, dengan akurasi yang lebih tinggi juga tersedia walaupun harganya tentu lebih mahal.
Potongan keping kristal mengacu kepada orientasi sudut pemotongan keping kristal terhadap garis struktur kristalin, dan juga bentuk keping kristal tersebut. Ada banyak standar potongan keping kristal, yang masing-masing mempunyai karakteristik yang berbeda-beda. Sebagai contoh, potongan AT yang populer mempunyai frekuensi fundamental maksimum yang tidak terlalu tinggi dan koefisien suhu yang cukup baik (berbentuk kurva fungsi kubik). Contoh lain adalah potongan BT, yang mempunyai frekuensi fundamental maksimum yang lebih tinggi tetapi koefisien suhunya lebih buruk (berbentuk kurva parabolik).
Kristal dapat dioperasikan pada frekuensi fundamental atau salah satu dari frekuensi-frekuensi harmonik ganjil (odd harmonics) yang biasa disebut dengan istilah overtones. Frekuensi fundamental maksimum sebuah kristal ditentukan oleh potongan dan dimensi keping kristal. Semakin tinggi frekuensi fundamental sebuah kristal, semakin tipis keping kristal tersebut, sehingga keping kristal menjadi rapuh dan mudah patah. Jadi untuk mencapai spesifikasi frekuensi getar yang lebih tinggi, kristal harus beroperasi menggunakan salah satu overtone yang ada.
Walaupun quartz adalah material yang paling sering digunakan untuk membuat kristal, material lain seperti lithium-niobate, lithium-tantalate, bismuth-germanium oxide dan alumimium-phosphate juga dapat dipakai untuk membuat kristal. Material lain yang juga dapat digunakan adalah sejenis keramik yang terbuat dari padatan timbal, zirconium dan titanium dan material polimer seperti polyvinyl chloride dan difluorpolyethylene.

Rangkaian Ekuivalen

Rangkaian Ekuivalen KristalDari sudut pandang bidang elektronika, tata kerja kristal dapat diilustrasikan melalui rangkaian ekuivalen yang terdiri dari dua buah kapasitor, satu buah induktor dan satu buah resistor.
Induktor L₁ (motional inductance) adalah padanan dari massa keping kristal yang bergetar, kapasitor C₁ (motional capacitance) adalah padanan dari kekakuan keping kristal melawan getaran dan resistor R₁ adalah padanan dari energi yang hilang diserap oleh kristal karena bentuknya mengalami perubahan ketika bergetar. Kapasitor C₀ (shunt capacitor) adalah kapasitansi yang terbentuk diantara dua elektroda yang mengapit potongan kristal.
Frekuensi getar alami kristal diberikan oleh persamaan berikut:
Umumnya, nilai induktansi L₁ adalah sangat tinggi sementara nilai kapasitansi C₁ sangat rendah. Sebagai contoh, sebuah kristal yang mempunyai frekuensi getar 10MHz mempunyai nilai L₁ = 0.05H, C₁ = 0.0051pF, R₁ = 5Ω dan C₀ = 6pF.
Rasio antara nilai induktansi L₁ dan kapasitansi C₁ yang sangat besar, jauh melampaui nilai rasio yang lazim didapat jika menggunakan komponen biasa, sehingga nilai faktor kualitas (Q) dari kristal menjadi jauh lebih tinggi daripada rangkaian LC biasa.
Faktor kualitas sebuah kristal diberikan oleh persamaan berikut:
Nilai faktor kualitas kristal umumnya bekisar diantara 10⁴ sampai dengan 10⁶, bandingkan dengan nilai faktor-kualitas rangkaian LC biasa yang hanya berkisar diangka ratusan.
Kristal dapat diterapkan pada rangkaian resonansi-seri ataupun resonansi-paralel. Pada rangkaian resonansi-seri, kristal bersifat seolah-olah terdiri dari sebuah kapasitor dan sebuah induktor yang dirangkai secara seri. Impedansi kristal akan mencapai nilai terendah, yaitu sama dengan nilai tahanan R₁, pada frekuensi getar alami.
Pada rangkaian resonansi-paralel, kristal bersifat seperti terdiri dari sebuah kapasitor dan sebuah induktor yang dirangkai secara paralel. Impedansi kristal akan mencapai nilai tertinggi pada frekuensi getar alami. Perlu dicatat bahwa frekuensi getar alami sebuah kristal yang sama jika beroperasi secara resonansi-paralel adalah sedikit lebih tinggi daripada ketika dioperasikan secara resonansi-seri. Fenomena ini dikenal dengan istilah pulling, yang besarannya tergantung kepada rasio dari C₁ dengan C₀ dan C_L.
Besarnya perubahan frekuensi yang disebabkan oleh faktor pulling ini diberikan oleh persamaan berikut:
Kristal biasanya dibentuk sedemikian rupa sehingga lebih optimal jika dioperasikan pada salah satu mode tertentu, baik itu secara resonansi-seri ataupun resonansi-paralel.

Aplikasi Kristal

Osilator ColpittsKristal dapat digunakan sebagai pengganti jajaran resonansi LC untuk hampir semua jenis rangkaian osilator, baik secara resonansi-seri maupun resonansi-paralel. Sebagai contoh adalah rangkaian osilator Colpitts yang menggunakan jajaran kristal dan kapasitor secara resonansi-seri.
Osilator PierceSatu contoh lain adalah rangkaian osilator Pierce yang menggunakan jajaran kristal dan kapasitor secara resonansi-paralel pada jalur umpan-balik. Osilator Pierce ini sangat populer dan kerap digunakan karena mempunyai karakteristik stabilitas yang lebih superior dibandingkan dengan rangkaian osilator lainnya.
Osilator CMOSRangkaian osilator populer lain menggunakan sebuah CMOS inverter yang menerapkan kristal pada jalur umpan-balik dari kaki output ke kaki input. Osilator ini mempunyai prinsip kerja yang serupa dengan osilator Pierce.
Rangkaian osilator klasik ini diterapkan secara luas sebagai sumber frekuensi denyut (clock frequency) pada rangkaian digital dan juga menjadi dasar cara kerja rangkaian osilator terpadu yang biasa digunakan oleh mikrokontroler.
Kedua kapasitor yang terhubung dari kaki-kaki kristal ke ground adalah kapasitor beban (load capacitance) yang perlu untuk berfungsinya rangkaian osilator ini. Nilai total kapasitor beban akan mempengaruhi frekuensi getar sebuah kristal. Efek ini juga disebut pulling, dimana perubahan nilai kapasitor beban (atau mode resonansi, seperti disebutkan diatas) dalam rangkaian osilator kristal akan merubah frekuensi getar kristal tersebut.
Pulling dapat digunakan untuk mengatur frekuensi getar kristal, walaupun hanya dalam rentangan yang terbatas. Biasanya, lembaran data kristal mencantumkan nilai nominal kapasitor beban yang tepat untuk mendapatkan spesifikasi frekuensi getar yang tertera.
Resistor R₂ berfungsi untuk membatasi tingkat pasokan daya (drive level) kepada kristal. Tingkat pasokan daya yang terlalu rendah akan menyebabkan kristal gagal berosilasi dan sebaliknya, jika terlalu tinggi akan mempengaruhi stabilitas frekuensi kristal atau malah dapat menyebabkan keping kristal menjadi retak.
Kristal jenis HC49 memerlukan tingkat pasokan daya dikisaran 1mW, sedangkan kristal HC49S atau HC49SM memerlukan sekitar 100µW. Semakin besar dimensi kepingan kristal, akan semakin tinggi pasokan daya yang dibutuhkan. Tingkat pasokan daya juga dipengaruhi oleh frekuensi getar, dimana frekuensi getar yang lebih tinggi akan memerlukan pasokan daya yang lebih besar.

Kemasan Kristal

Kemasan KristalKristal tersedia dalam berbagai bentuk kemasan. Kemasan yang populer adalah HC49 dan HC49S. HC49S mempunyai bentuk tapak yang sama dengan HC49, tetapi kemasannya lebih pendek. HC49S juga tersedia untuk aplikasi SMD (HC49SM), dengan kaki yang ditekuk rata dibawah dasar yang terbuat dari plastik. Kemasan SMD bentuk lain juga banyak tersedia dipasaran.
Perlu diingat bahwa kristal dengan kemasan yang berbeda akan mempunyai karakteristik yang berbeda pula. Hal ini disebabkan karena dimensi dan bentuk keping kristal tergantung kepada besarnya kemasan. Sebagai contoh, kemasan HC49 biasanya berisikan keping kristal yang berbentuk piringan, sedangkan kemasan HC49S, karena lebih pendek, berisikan keping kristal berbentuk persegi panjang.