Oscilador de cristal: Circuito, frecuencia y principio de funcionamiento

Los osciladores de cristal funcionan según el principio del efecto piezoeléctrico inverso, en el cual se aplica un voltaje alternativo a las superficies del cristal, lo que lo hace vibrar a su frecuencia natural. Son estas vibraciones las que finalmente se convierten en oscilaciones.

Estos osciladores generalmente están hechos de cuarzo, aunque otras sustancias como la sal de Rochelle y la turmalina también exhiben el efecto piezoeléctrico, ya que el cuarzo es económico, fácilmente disponible y mecánicamente fuerte en comparación con otros materiales.

En los osciladores de cristal, el cristal se corta y monta adecuadamente entre dos placas metálicas, como se muestra en la Figura 1a, cuyo equivalente eléctrico se muestra en la Figura 1b. En realidad, el cristal se comporta como un circuito RLC en serie, formado por los componentes

1. Un resistor de bajo valor RS

2. Un inductor de alto valor LS

3. Un capacitor de bajo valor CS

que estarán en paralelo con la capacitancia de sus electrodos Cp.

Debido a la presencia de Cp, el cristal resonará a dos frecuencias diferentes, a saber,

1. Frecuencia Resonante en Serie, fs que ocurre cuando la capacitancia en serie CS resuena con la inductancia en serie LS. En este momento, la impedancia del cristal será la menor y, por lo tanto, la cantidad de retroalimentación será la mayor. La expresión matemática para esto se da como
   

2. Frecuencia Resonante en Paralelo, fp que se presenta cuando la reactancia de la LSCS iguala la reactancia del capacitor paralelo Cp es decir, LS y CS resuenan con Cp. En este instante, la impedancia del cristal será la mayor y, por lo tanto, la retroalimentación será la menor. Matemáticamente se puede dar como
   

El comportamiento del capacitor será capacitivo tanto por debajo de fS como por encima de fp. Sin embargo, para las frecuencias que se encuentran entre fS y fp, el comportamiento del cristal será inductivo. Además, cuando la frecuencia se iguala a la frecuencia de resonancia paralela fp, entonces la interacción entre LS y Cp formará un circuito LC sintonizado en paralelo. Por lo tanto, un cristal puede verse como una combinación de circuitos de resonancia sintonizados en serie y en paralelo, debido a lo cual uno necesita sintonizar el circuito para cualquiera de estos dos. Además, es importante notar que fp será mayor que fs y la cercanía entre ambos dependerá del corte y las dimensiones del cristal en uso.

Los osciladores de cristal se pueden diseñar conectando el cristal al circuito de tal manera que ofrezca baja impedancia cuando se opera en modo de resonancia en serie (Figura 2a) y alta impedancia cuando se opera en modo de antirresonancia o resonancia en paralelo (Figura 2b).

En los circuitos mostrados, los resistores R1 y R2 forman la red de división de tensión, mientras que el resistor del emisor RE estabiliza el circuito. Además, CE (Figura 2a) actúa como un capacitor de derivación AC, mientras que el capacitor de acoplamiento CC (Figura 2a) se utiliza para bloquear la propagación de la señal DC entre los terminales colector y base.

A continuación, los capacitores C1 y C2 forman la red de división de tensión capacitiva en el caso de la Figura 2b. Además, hay un bobinado de radiofrecuencia (RFC) en los circuitos (tanto en la Figura 2a como en la 2b) que ofrece una doble ventaja, ya que proporciona incluso el sesgo DC y libera la salida del circuito de ser afectada por la señal AC en las líneas de alimentación.

Al suministrar energía al oscilador, la amplitud de las oscilaciones en el circuito aumenta hasta que se alcanza un punto en el que las no linealidades en el amplificador reducen la ganancia del bucle a la unidad.

Luego, al alcanzar el estado estable, el cristal en el bucle de realimentación influye enormemente en la frecuencia del circuito operativo. Además, aquí, la frecuencia se ajustará automáticamente para facilitar que el cristal presente una reactancia al circuito de tal manera que se cumpla el requisito de fase de Barkhausen.

En general, la frecuencia de los osciladores de cristal estará fijada a la frecuencia fundamental o característica del cristal, que estará determinada por el tamaño y la forma físicos del cristal.

Sin embargo, si el cristal no es paralelo o tiene un espesor no uniforme, podría resonar a múltiples frecuencias, resultando en armónicos.

Además, los osciladores de cristal se pueden sintonizar a cualquier armónico par o impar de la frecuencia fundamental, que se llaman Osciladores Armónicos y Sobretónicos, respectivamente.

Un ejemplo de esto es el caso en el que la frecuencia de resonancia en paralelo del cristal se disminuye o aumenta al agregar un capacitor o un inductor a través del cristal, respectivamente.

El rango de operación típico de los osciladores de cristal es de 40 KHz a 100 MHz, donde los osciladores de baja frecuencia se diseñan utilizando OpAmps, mientras que los de alta frecuencia se diseñan utilizando transistores (BJTs o FETs).

La frecuencia de las oscilaciones generadas por el circuito está determinada por la frecuencia de resonancia en serie del cristal y no se verá afectada por las variaciones en el voltaje de alimentación, los parámetros del transistor, etc. Como resultado, los osciladores de cristal exhiben un alto factor Q con excelente estabilidad de frecuencia, lo que los hace muy adecuados para aplicaciones de alta frecuencia.

Sin embargo, se debe tener cuidado para conducir el cristal con potencia óptima. Esto es porque, si se entrega demasiada potencia al cristal, se podrían excitar resonancias parasitarias en el cristal, lo que lleva a una frecuencia de resonancia inestable.

Además, incluso su forma de onda de salida podría distorsionarse debido a la degradación de su rendimiento de ruido de fase. Además, incluso podría resultar en la destrucción del dispositivo (cristal) debido al sobrecalentamiento.

Los osciladores de cristal son compactos y de bajo costo, por lo que se utilizan extensamente en sistemas de guerra electrónica, sistemas de comunicación, sistemas de guiado, microprocesadores, microcontroladores, sistemas de seguimiento espacial, instrumentos de medición, dispositivos médicos, computadoras, sistemas digitales, instrumentación, sistemas de bucle cerrado de fase, módems, sensores, unidades de disco, sistemas marinos, telecomunicaciones, sistemas de control de motores, relojes, Sistemas de Posicionamiento Global (GPS), sistemas de televisión por cable, cámaras de video, juguetes, videojuegos, sistemas de radio, teléfonos celulares, temporizadores, etc.

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