Oscillator de cristall: Circuit, freqüència i principi de funcionament

Els oscil·ladors de cristall funcionen segons el principi de l'efecte piezoelèctric invers, en el qual una tensió alternada aplicada a les superfícies del cristall provoca vibracions a la seva freqüència natural. Són aquestes vibracions les que finalment es converteixen en oscil·lacions.

Aquests oscil·ladors solen estar fets de cristall de quart, encara que altres substàncies com el sal de Rochelle i el turmali també mostren l'efecte piezoelèctric, ja que el quart és més econòmic, disponible de manera natural i més forta mecànicament en comparació amb altres.

En els oscil·ladors de cristall, el cristall està tallat i muntat entre dues plaques metàl·liques, tal com es mostra a la Figura 1a, la seva equivalència elèctrica es mostra a la Figura 1b. En realitat, el cristall comporta un circuit RLC en sèrie, format per les components

1. Un resistor de baix valor RS

2. Un inductor de gran valor LS

3. Un capacitor de petit valor CS

que estarà en paral·lel amb la capacitància dels seus electrots Cp.

Debuteix la presència de Cp, el cristall resonarà a dues freqüències diferents, a saber,

1. Freqüència Resonant en Sèrie, fs que ocorre quan la capacitància en sèrie CS resona amb la inductància en sèrie LS. En aquest estadi, la impedància del cristall serà la més baixa i, per tant, la retroalimentació serà la major. L'expressió matemàtica per a això és
   

2. Freqüència Resonant en Paral·lel, fp que es manifesta quan la reactància de la LSCS iguala la reactància del capacitor paral·lel Cp i.e. LS and CS resonen amb Cp. En aquest moment, la impedància del cristall serà la més alta i, per tant, la retroalimentació serà la menor. Matemàticament es pot expressar com
   

El comportament del capacitor serà capacitiu tant per sota de fS com per sobre de fp. Tanmateix, per a les freqüències que es troben entre fS i fp, el comportament del cristall serà inductiu. A més, quan la freqüència es fa igual a la freqüència resonant en paral·lel fp, llavors la interacció entre LS i Cp formarà un circuit LC sintonitzat en paral·lel. Per tant, un cristall es pot veure com una combinació de circuits de ressonància en sèrie i en paral·lel, per la qual cosa cal sintonitzar el circuit per a qualsevol d'aquests dos. A més, cal tenir en compte que fp serà més alta que fs i la proximitat entre les dues dependerà del tall i les dimensions del cristall en ús.

Els oscil·ladors de cristall es poden dissenyar connectant el cristall al circuit de manera que ofereixi baixa impedància quan s'operi en mode de ressonància en sèrie (Figura 2a) i alta impedància quan s'operi en mode antiressonant o de ressonància en paral·lel (Figura 2b).

En els circuits mostrats, els resistors R1 i R2 formen la xarxa divisor de tensió mentre que el resistor de l'emissor RE estabilitza el circuit. A més, CE (Figura 2a) actua com a capacitor bypass AC mentre que el capacitor de couplament CC (Figura 2a) s'utilitza per bloquejar la propagació de senyals DC entre els terminals del colector i la base.

Seguidament, els capacitors C1 i C2 formen la xarxa divisor de tensió capacitiva en el cas de la Figura 2b. A més, hi ha també una bobina de radiofreqüència (RFC) en els circuits (tanto en la Figura 2a com en la 2b) que ofereix una doble avantatge, ja que proporciona fins i tot la polarització DC i allibera la sortida del circuit de l'afectació del senyal AC en les línies d'alimentació.

En alimentar el oscil·lador, l'amplitud de les oscil·lacions en el circuit augmenta fins a un punt on les no-linealitats en l'amplificador redueixen el guany de bucle a la unitat.

Seguidament, en arribar a l'estat estacionari, el cristall en el bucle de retroalimentació influeix molt en la freqüència del circuit en operació. A més, aquí, la freqüència es reajustarà per facilitar que el cristall presenti una reactància al circuit de manera que es compleixi el requisit de fase de Barkhausen.

En general, la freqüència dels oscil·ladors de cristall estarà fixada a la freqüència fonamental o característica del cristall, que estarà determinada per la mida física i la forma del cristall.

No obstant això, si el cristall no és paral·lel o té un gruix no uniforme, llavors podrà resonar a múltiples freqüències, produint harmonics.

A més, els oscil·ladors de cristall es poden sintonitzar a qualsevol harmònic parell o imparell de la freqüència fonamental, que es denominen oscil·ladors harmònics i superharmònics, respectivament.

Un exemple d'això és el cas on la freqüència de ressonància en paral·lel del cristall es disminueix o augmenta afegint un capacitor o un inductor a través del cristall, respectivament.

L'interval típic d'operació dels oscil·ladors de cristall va des de 40 KHz fins a 100 MHz, on els oscil·ladors de baixa freqüència es dissenyen utilitzant OpAmps, mentre que els de alta freqüència es dissenyen utilitzant transistors (BJTs o FETs).

La freqüència d'oscil·lacions generades pel circuit està determinada per la freqüència de ressonància en sèrie del cristall i no estarà afectada per les variacions en la tensió d'alimentació, els paràmetres del transistor, etc. Com a resultat, els oscil·ladors de cristall exhibeixen un factor Q elevat amb excel·lent estabilitat de freqüència, el que els fa més adequats per a aplicacions de alta freqüència.

No obstant això, s'ha de prestar atenció per a assegurar que el cristall es conduisca amb la potència òptima només. Això és degut al fet que, si es lliura massa potència al cristall, llavors es podrien excitar les ressonàncies parasites en el cristall, el que porta a una freqüència de ressonància inestable.

A més, la seva forma d'ona de sortida també podria distorsionar-se degut a la degradació del seu rendiment de soroll de fase. A més, això també pot resultar en la destrucció del dispositiu (cristall) a causa de la sobrecalentament.

Els oscil·ladors de cristall són compacts en mida i de baix cost, per la qual cosa es fan un ús extensiu en sistemes de guerra electrònica, sistemes de comunicació, sistemes de guiament, microprocessadors, microcontroladors, sistemes de seguiment espacial, instruments de mesura, dispositius mèdics, ordinadors, sistemes digitals, instrumentació, sistemes de bucle de fase tancat, modem, sensores, unitats de disc, telecomunicacions, sistemes de control d'engines, rellotges, Sistemes de Pos