Oscilador de cristal: circuito frecuencia e principio de funcionamento

Os osciladores de cristal funcionan sobre o principio do efecto piezoeléctrico inverso, no que unha tensión alternativa aplicada ás superficies do cristal fai que este vibre á súa frecuencia natural. Son estas vibracións as que finalmente se converten en oscilacións.

Estes osciladores adoitan estar feitos de cristal de cuarzo, aínda que outras substancias como o sal de Rochelle e a turmalina tamén exhiben o efecto piezoeléctrico porque o cuarzo é económico, dispoñible naturalmente e máis resistente mecánicamente en comparación con outros.

Nellos osciladores de cristal, o cristal está adecuadamente cortado e montado entre dúas placas metálicas como se mostra na figura 1a, cuxo equivalente eléctrico se mostra na figura 1b. Na realidade, o cristal comportase como un circuíto RLC en serie, formado polos componentes

1. Un resistor de baixo valor RS

2. Un inductor de gran valor LS

3. Un capacitor de baixo valor CS

que estarán en paralelo coa capacitancia dos seus electrodos Cp.

Debido á presenza de Cp, o cristal resonará a dúas frecuencias diferentes, nomeadamente,

1. Frecuencia de ressonancia en serie, fs que ocorre cando a capacitancia en serie CS ressonante coa inductancia en serie LS. Nesta etapa, a impedancia do cristal será a menor e, polo tanto, a cantidade de retroalimentación será a maior. A expresión matemática para isto dáse como
   

2. Frecuencia de ressonancia en paralelo, fp que se exhibe cando a reactancia do LSCS iguala a reactancia do capacitor en paralelo Cp ou sexa, LS e CS ressonan con Cp. Neste instante, a impedancia do cristal será a maior e, polo tanto, a retroalimentación será a menor. Matematicamente pódese dar como
   

O comportamento do capacitor será capacitivo tanto por debaixo de fS como por riba de fp. No entanto, para as frecuencias que están entre fS e fp, o comportamento do cristal será inductivo. Ademais, cando a frecuencia se iguala á frecuencia de ressonancia en paralelo fp, a interacción entre LS e Cp formará un circuito LC sintonizado en paralelo. Polo tanto, un cristal pode verse como unha combinación de circuitos de ressonancia en serie e en paralelo, polo que é necesario sintonizar o circuito para calquera de estes dous. Ademais, é importante notar que fp será maior que fs e a proximidade entre os dous estará determinada polo corte e as dimensións do cristal en uso.

Os osciladores de cristal poden deseñarse conectando o cristal no circuito de tal xeito que ofrezca baixa impedancia cando se opera en modo de ressonancia en serie (Figura 2a) e alta impedancia cando se opera en modo antirresonante ou en ressonancia en paralelo (Figura 2b).

Nos circuitos mostrados, os resistores R1 e R2 forman a rede de división de tensión mentres que o resistor do emisor RE estabiliza o circuito. Ademais, CE (Figura 2a) actúa como un capacitor de derivación AC mentres que o capacitor de acoplamento CC (Figura 2a) úsase para bloquear a propagación da sinal DC entre os terminais do colector e a base.

A continuación, os condensadores C1 e C2 forman a rede de división de tensión capacitiva no caso da figura 2b. Ademais, tamén hai unha bobina de radiofrecuencia (RFC) nos circuitos (tanto na figura 2a como na 2b) que ofrece unha ventaxa dual xa que proporciona incluso o polarización DC e libera a saída do circuito de ser afectada polo sinal AC nas liñas de alimentación.

Ao fornecer alimentación ao oscilador, a amplitud das oscilacións no circuito aumenta ata que se alcanza un punto no que as non linearidades no amplificador reducen a ganancia do lazo a unidade.

A continuación, ao alcanzar o estado estable, o cristal no lazo de retroalimentación influencia fortemente a frecuencia do circuito operativo. Ademais, aquí, a frecuencia se autocorrixirá para facilitar que o cristal presente unha reactancia ao circuito de tal maneira que se cumpra o requisito de fase de Barkhausen.

En xeral, a frecuencia dos osciladores de cristal será fixa para ser a frecuencia fundamental ou característica do cristal, que será decidida polo tamaño físico e forma do cristal.

No entanto, se o cristal non é paralelo ou ten un espesor non uniforme, entón pode ressonar a múltiples frecuencias, resultando en armónicos.

Ademais, os osciladores de cristal poden sintonizarse a unha harmónica par ou impar da frecuencia fundamental, que se chamam Osciladores Armónicos e Sobretonos, respectivamente.

Un exemplo disto é o caso no que a frecuencia de ressonancia en paralelo do cristal diminúe ou aumenta ao engadir un capacitor ou un inductor a través do cristal, respectivamente.

O intervalo típico de funcionamento dos osciladores de cristal é de 40 KHz a 100 MHz, onde os osciladores de baixa frecuencia están deseñados usando OpAmps mentres que os de alta frecuencia están deseñados usando transistores (BJTs ou FETs).

A frecuencia das oscilacións xeradas polo circuito está decidida pola frecuencia de ressonancia en serie do cristal e non se verá afectada polas variacións na tensión de alimentación, parámetros do transistor, etc. Como resultado, os osciladores de cristal exhiben un alto factor Q con excelente estabilidade de frecuencia, facendo-os moi adecuados para aplicacións de alta frecuencia.

No entanto, debe terse coidado para conducir o cristal só con potencia óptima. Isto é debido a que, se se entrega demasiada potencia ao cristal, entón as ressonancias parasíticas poderían excitarse no cristal, levando a unha frecuencia de ressonancia inestable.

Ademais, a súa forma de onda de saída tamén podería distorsionarse debido á degradación do seu rendemento de ruído de fase. Ademais, incluso pode resultar na destrución do dispositivo (cristal) debido ao sobreaquecemento.

Os osciladores de cristal son compactos e de baixo custo, polo que se usan extensivamente en sistemas de guerra electrónica, sistemas de comunicación, sistemas de guiado, microprocesadores, microcontroladores, sistemas de seguimento espacial, instrumentos de medida, dispositivos médicos, ordenadores, sistemas dixitais, instrumentación, sistemas de lazo de fase, módems, sensores, unidades de disco, sistemas marítimos, telecomunicacións, sistemas de control de motores, reloxos, Sistemas de Posicionamento Global (GPS), sistemas de televisión por cable, cámaras de vídeo, xoguetes, videoxogos, sistemas de radio, teléfonos celulares, temporizadores, etc.

Declaración: Respetar o original, artigos boos merécen ser compartidos, se hai infracción por favor contacte para eliminar.