Oscillatore a cristallo: circuito frequenza e principio di funzionamento

Gli oscillatori a cristallo funzionano sul principio dell'effetto piezoelettrico inverso, in cui una tensione alternata applicata alle superfici del cristallo lo fa vibrare alla sua frequenza naturale. Sono queste vibrazioni che vengono infine convertite in oscillazioni.

Questi oscillatori sono solitamente realizzati con cristalli di quarzo, anche se altre sostanze come il sale di Rochelle e la turmalina esibiscono l'effetto piezoelettrico. Il quarzo, tuttavia, è economico, naturalmente disponibile e meccanicamente resistente rispetto ad altri materiali.

Negli oscillatori a cristallo, il cristallo è opportunamente tagliato e montato tra due piastre metalliche, come mostrato nella Figura 1a, la cui equivalente elettrica è mostrata dalla Figura 1b. In realtà, il cristallo si comporta come un circuito RLC in serie, formato dai componenti

1. Un resistore a basso valore RS

2. Un induttore a alto valore LS

3. Un condensatore a basso valore CS

che saranno in parallelo con la capacità dei suoi elettrodi Cp.

A causa della presenza di Cp, il cristallo risonerà a due diverse frequenze, vale a dire,

1. Frequenza di risonanza in serie, fs che si verifica quando la capacità in serie CS risona con l'induttanza in serie LS. A questo stadio, l'impedenza del cristallo sarà la minima e quindi la quantità di feedback sarà la massima. L'espressione matematica per lo stesso è data da
   

2. Frequenza di risonanza in parallelo, fp che viene esibita quando la reattanza del ramo LSCS è uguale alla reattanza del condensatore in parallelo Cp cioè LS e CS risonano con Cp. In questo istante, l'impedenza del cristallo sarà la massima e quindi il feedback sarà il minimo. Matematicamente può essere dato da
   

Il comportamento del condensatore sarà capacitivo sia al di sotto di fS che al di sopra di fp. Tuttavia, per le frequenze comprese tra fS e fp, il comportamento del cristallo sarà induttivo. Inoltre, quando la frequenza diventa uguale alla frequenza di risonanza in parallelo fp, allora l'interazione tra LS e Cp formerà un circuito LC sintonizzato in parallelo. Pertanto, un cristallo può essere considerato come una combinazione di circuiti risonanti in serie e in parallelo, per cui è necessario sintonizzare il circuito per uno dei due. Inoltre, va notato che fp sarà superiore a fs e la vicinanza tra i due sarà decisa dal taglio e dalle dimensioni del cristallo utilizzato.

Gli oscillatori a cristallo possono essere progettati collegando il cristallo nel circuito in modo che offra bassa impedenza quando operano in modalità di risonanza in serie (Figura 2a) e alta impedenza quando operano in modalità di anti-risonanza o risonanza in parallelo (Figura 2b).

Nei circuiti mostrati, i resistori R1 e R2 formano la rete di divisione di tensione, mentre il resistore emettitore RE stabilizza il circuito. Inoltre, CE (Figura 2a) agisce come un condensatore di bypass in AC, mentre il condensatore di accoppiamento CC (Figura 2a) è utilizzato per bloccare la propagazione del segnale DC tra i terminali collettore e base.

Successivamente, i condensatori C1 e C2 formano la rete di divisione di tensione capacitiva nel caso della Figura 2b. Inoltre, c'è anche una bobina RF (RFC) nei circuiti (entrambi nella Figura 2a e 2b) che offre un doppio vantaggio, fornendo sia la polarizzazione DC che liberando l'uscita del circuito dall'influenza del segnale AC sulle linee di alimentazione.

Al fornitura di potenza all'oscillatore, l'ampiezza delle oscillazioni nel circuito aumenta fino a raggiungere un punto in cui le non linearità nell'amplificatore riducono il guadagno del loop a unità.

Successivamente, una volta raggiunto lo stato stazionario, il cristallo nel loop di feedback influenza fortemente la frequenza del circuito in funzione. Inoltre, qui, la frequenza si regolerà automaticamente in modo da facilitare il cristallo a presentare una reattanza al circuito tale che il requisito di fase di Barkhausen sia soddisfatto.

In generale, la frequenza degli oscillatori a cristallo sarà fissata alla frequenza fondamentale o caratteristica del cristallo, che sarà determinata dalle dimensioni e dalla forma fisiche del cristallo.

Tuttavia, se il cristallo non è parallelo o ha uno spessore non uniforme, potrebbe risonare a più frequenze, producendo armoniche.

Inoltre, gli oscillatori a cristallo possono essere sintonizzati su un armonico pari o dispari della frequenza fondamentale, che vengono chiamati rispettivamente Oscillatori Armonici e Overtone.

Un esempio di ciò è il caso in cui la frequenza di risonanza in parallelo del cristallo viene diminuita o aumentata aggiungendo un condensatore o un induttore rispettivamente attraverso il cristallo.

La gamma tipica di funzionamento degli oscillatori a cristallo è da 40 KHz a 100 MHz, dove gli oscillatori a bassa frequenza sono progettati utilizzando OpAmps, mentre quelli ad alta frequenza sono progettati utilizzando i transistor (BJTs o FETs).

La frequenza delle oscillazioni generate dal circuito è determinata dalla frequenza di risonanza in serie del cristallo e rimarrà invariata dalle variazioni della tensione di alimentazione, parametri del transistor, ecc. Di conseguenza, gli oscillatori a cristallo esibiscono un alto fattore Q con eccellente stabilità di frequenza, rendendoli particolarmente adatti per applicazioni ad alta frequenza.

Tuttavia, è necessario fare attenzione a pilotare il cristallo solo con la potenza ottimale. Questo perché, se viene fornita troppa potenza al cristallo, potrebbero essere eccitate risonanze parassite nel cristallo, portando a una frequenza di risonanza instabile.

Inoltre, anche la forma d'onda in uscita potrebbe essere distorta a causa della degradazione delle prestazioni del rumore di fase. Inoltre, può persino risultare nella distruzione del dispositivo (cristallo) a causa del sovraccarico termico.

Gli oscillatori a cristallo sono compatti e a basso costo, motivo per cui sono ampiamente utilizzati in sistemi di guerra elettronica, sistemi di comunicazione, sistemi di guida, microprocessori, microcontrollori, sistemi di tracciamento spaziale, strumenti di misura, dispositivi medici, computer, sistemi digitali, strumentazione, sistemi a loop di fase, modem, sensori, unità disco, sistemi di telecomunicazione, sistemi di controllo motore, orologi, Sistemi di Posizionamento Globale (GPS), sistemi di televisione via cavo, telecamere, giocattoli, videogiochi, sistemi radio, cellulari, timer, ecc.

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