Kristal digunakan untuk membuat osilator karena memiliki stabilitas frekuensi dan suhu yang tinggi. Kristal bekerja berdasarkan efek piezo-electric, di mana getaran listrik-mekanik terjadi pada frekuensi alami tertentu. Frekuensi alami ditentukan oleh potongan dan dimensi kristal. Kristal umumnya digunakan sebagai pengganti rangkaian resonansi LC pada berbagai jenis osilator.

1. Kristal
Doni Saldiro|1 Januari 2009 - 11:20 WIB|Komponen Dasar|Komentar (27)
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

2. 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

3. 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 CL.
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.

4. 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,

5. 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.