Oscilador de Cristal: Circuito, Frequência e Princípio de Funcionamento

Osciladores de cristal operam com base no princípio do efeito piezelétrico inverso, no qual uma tensão alternada aplicada às superfícies do cristal o faz vibrar em sua frequência natural. São essas vibrações que, eventualmente, se convertem em oscilações.

Estes osciladores são geralmente feitos de cristal de quartzo, embora outras substâncias, como o sal de Rochelle e a turmalina, também exibam o efeito piezelétrico. O quartzo, no entanto, é mais barato, naturalmente disponível e mecanicamente forte em comparação com as outras.

Nos osciladores de cristal, o cristal é adequadamente cortado e montado entre duas placas metálicas, conforme mostrado na Figura 1a, cujo equivalente elétrico é mostrado na Figura 1b. Na realidade, o cristal se comporta como um circuito RLC série, formado pelos componentes

1. Um resistor de baixo valor RS

2. Um indutor de alto valor LS

3. Um capacitor de baixo valor CS

que estará em paralelo com a capacitância de seus eletrodos Cp.

Devido à presença de Cp, o cristal ressonará em duas frequências diferentes, a saber,

1. Frequência de ressonância em série, fs que ocorre quando a capacitância em série CS ressona com a indutância em série LS. Nesta etapa, a impedância do cristal será a menor e, portanto, a quantidade de feedback será a maior. A expressão matemática para isso é dada como
   

2. Frequência de ressonância em paralelo, fp que é exibida quando a reatância do LSCS iguala a reatância do capacitor paralelo Cp ou seja, LS e CS ressonam com Cp. Neste instante, a impedância do cristal será a maior e, portanto, o feedback será o menor. Matematicamente, pode ser dado como
   

O comportamento do capacitor será capacitivo tanto abaixo de fS quanto acima de fp. No entanto, para as frequências que estão entre fS e acima de fp, o comportamento do cristal será indutivo. Além disso, quando a frequência se torna igual à frequência de ressonância paralela fp, a interação entre LS e Cp formará um circuito LC sintonizado em paralelo. Portanto, um cristal pode ser visto como uma combinação de circuitos de ressonância em série e em paralelo, devido ao qual é necessário sintonizar o circuito para um desses dois. Além disso, deve-se notar que fp será maior que fs e a proximidade entre os dois será decidida pelo corte e pelas dimensões do cristal em uso.

Osciladores de cristal podem ser projetados conectando o cristal no circuito de tal forma que ele ofereça baixa impedância quando operado no modo de ressonância em série (Figura 2a) e alta impedância quando operado no modo anti-resonante ou de ressonância em paralelo (Figura 2b).

Nas configurações mostradas, os resistores R1 e R2 formam a rede de divisão de tensão, enquanto o resistor do emissor RE estabiliza o circuito. Além disso, CE (Figura 2a) atua como um capacitor de bypass AC, enquanto o capacitor de acoplamento CC (Figura 2a) é usado para bloquear a propagação do sinal DC entre os terminais coletor e base.

Em seguida, os capacitores C1 e C2 formam a rede de divisão de tensão capacitiva no caso da Figura 2b. Além disso, há também uma Bobina de Frequência de Rádio (RFC) nos circuitos (tanto na Figura 2a quanto na 2b), que oferece vantagens duplas, pois fornece o viés DC e libera a saída do circuito de ser afetada pelo sinal AC nas linhas de alimentação.

Ao fornecer energia ao oscilador, a amplitude das oscilações no circuito aumenta até que um ponto seja atingido onde as não linearidades no amplificador reduzem o ganho do loop a unidade.

Em seguida, ao atingir o estado estacionário, o cristal no loop de feedback influencia muito a frequência do circuito em operação. Além disso, aqui, a frequência se ajustará automaticamente para facilitar o cristal a apresentar uma reatância ao circuito de tal forma que o requisito de fase de Barkhausen seja cumprido.

Geralmente, a frequência dos osciladores de cristal será fixada para ser a frequência fundamental ou característica do cristal, que será determinada pelo tamanho físico e forma do cristal.

No entanto, se o cristal não for paralelo ou tiver espessura não uniforme, ele pode ressonar em múltiplas frequências, resultando em harmônicos.

Além disso, os osciladores de cristal podem ser sintonizados para qualquer harmônico par ou ímpar da frequência fundamental, que são chamados de Osciladores Harmônicos e Sobretonais, respectivamente.

Um exemplo disso é o caso em que a frequência de ressonância em paralelo do cristal é diminuída ou aumentada pela adição de um capacitor ou um indutor em paralelo com o cristal, respectivamente.

A faixa de operação típica dos osciladores de cristal varia de 40 KHz a 100 MHz, onde os osciladores de baixa frequência são projetados usando Amplificadores Operacionais, enquanto os de alta frequência são projetados usando transistores (BJTs ou FETs).

A frequência das oscilações geradas pelo circuito é determinada pela frequência de ressonância em série do cristal e permanecerá inalterada por variações na tensão de alimentação, parâmetros do transistor, etc. Como resultado, os osciladores de cristal exibem um alto fator Q com excelente estabilidade de frequência, tornando-os mais adequados para aplicações de alta frequência.

No entanto, deve-se ter cuidado para conduzir o cristal com potência ótima apenas. Isso ocorre porque, se muita potência for entregue ao cristal, as ressonâncias parasitas podem ser excitadas no cristal, levando a uma frequência de ressonância instável.

Além disso, até mesmo sua forma de onda de saída pode ser distorcida devido à degradação do desempenho de ruído de fase. Além disso, isso pode resultar na destruição do dispositivo (cristal) devido ao superaquecimento.

Osciladores de cristal são compactos e de baixo custo, devido ao que são amplamente utilizados em sistemas de guerra eletrônica, sistemas de comunicação, sistemas de guiagem, microprocessadores, microcontroladores, sistemas de rastreamento espacial, instrumentos de medição, dispositivos médicos, computadores, sistemas digitais, instrumentação, sistemas de laço de fase, modems, sensores, unidades de disco, sistemas marítimos, telecomunicações, sistemas de controle de motor, relógios, Sistemas de Posicionamento Global (GPS), sistemas de televisão a cabo, câmeras de vídeo, brinquedos, jogos de vídeo, sistemas de rádio, telefones celulares, temporizadores, etc.

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