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Oscilador de cristal de cuarzo y cristales de cuarzo

Oscilador

Algunos de los factores que afectan la frecuencia.La estabilidad de un oscilador generalmente incluye: variaciones en la temperatura, variaciones en la carga, así como cambios en el voltaje de su fuente de alimentación de CC, por nombrar algunos.

La estabilidad de frecuencia de la señal de salida puede sermejorado en gran medida por la selección adecuada de los componentes utilizados para el circuito de realimentación resonante, incluido el amplificador. Pero hay un límite a la estabilidad que se puede obtener de los circuitos normales de los tanques LC y RC.

oscilador de cristal de cuarto

Quart Crystal
Oscilador

Para obtener un nivel muy alto de estabilidad del oscilador a Cristal de cuarzo se utiliza generalmente como dispositivo de determinación de frecuencia para producir otros tipos de circuitos osciladores conocidos generalmente como Oscilador de cristal de cuarzo, (XO).

Cuando se aplica una fuente de voltaje a una pequeña pieza delgada de cristal de cuarzo, comienza a cambiar de forma, produciendo una característica conocida como Efecto piezoeléctrico.. Este efecto piezoeléctrico es propiedad de uncristal mediante el cual una carga eléctrica produce una fuerza mecánica al cambiar la forma del cristal y viceversa, una fuerza mecánica aplicada al cristal produce una carga eléctrica.

Entonces, los dispositivos piezoeléctricos se pueden clasificar comoTransductores que convierten energía de un tipo en energía de otro (eléctrico a mecánico o mecánico a eléctrico). Este efecto piezoeléctrico produce vibraciones mecánicas u oscilaciones que pueden usarse para reemplazar el circuito del tanque LC estándar en los osciladores anteriores.

Hay muchos tipos diferentes de cristalSustancias que se pueden usar como osciladores, siendo el más importante para los circuitos electrónicos los minerales de cuarzo, debido en parte a su mayor resistencia mecánica.

El cristal de cuarzo utilizado en una Oscilador de cristal de cuarzo Es una pieza muy pequeña, delgada u oblea de corte.Cuarzo con las dos superficies paralelas metalizadas para realizar las conexiones eléctricas necesarias. El tamaño físico y el grosor de una pieza de cristal de cuarzo se controlan estrechamente, ya que afecta la frecuencia final o fundamental de las oscilaciones. La frecuencia fundamental se denomina generalmente "frecuencia característica" de los cristales.

Una vez cortado y moldeado, el cristal no se puede utilizar en ninguna otra frecuencia. En otras palabras, su tamaño y forma determinan su frecuencia de oscilación fundamental.

Los cristales característicos o característicos.La frecuencia es inversamente proporcional a su espesor físico entre las dos superficies metalizadas. Un cristal que vibra mecánicamente puede representarse por un circuito eléctrico equivalente que consiste en una baja resistencia R, una gran inductancia L y una pequeña capacitancia C, como se muestra a continuación.

Modelo equivalente de cristal de cuarzo

modelo de cristal de cuarto

El circuito eléctrico equivalente para el cuarzo.crystal muestra un circuito RLC en serie, que representa las vibraciones mecánicas del cristal, en paralelo con una capacitancia, Cp que representa las conexiones eléctricas al cristal. Los osciladores de cristal de cuarzo tienden a operar hacia su "resonancia en serie".

La impedancia equivalente del cristal tiene unaResonancia en serie donde Cs resuena con inductancia, Ls en la frecuencia de operación de los cristales. Esta frecuencia se llama la frecuencia de la serie de cristales, ƒs. Además de esta frecuencia en serie, hay un segundo punto de frecuencia establecido como resultado de la resonancia paralela creada cuando Ls y Cs resuenan con el capacitor paralelo Cp como se muestra.

Impedancia cristalina contra la frecuencia

impedancia de cristal de cuarzo
Fórmula de impedancia de cristal de cuarzo

La pendiente de la impedancia de los cristales muestra arriba.que a medida que la frecuencia aumenta a través de sus terminales. En una frecuencia particular, la interacción entre el condensador en serie Cs y el inductor Ls crea un circuito de resonancia en serie que reduce la impedancia de los cristales a un mínimo e igual a Rs. Este punto de frecuencia se llama frecuencia de resonancia de la serie de cristales ƒs y por debajo de ƒs el cristal es capacitivo.

A medida que la frecuencia aumenta por encima de esta seriepunto de resonancia, el cristal se comporta como un inductor hasta que la frecuencia alcanza su frecuencia resonante paralela ƒp. En este punto de frecuencia, la interacción entre el inductor en serie, L y el condensador paralelo, Cp crea un circuito de tanque LC sintonizado en paralelo y, como tal, la impedancia a través del cristal alcanza su valor máximo.

Entonces podemos ver que un cristal de cuarzo es unCombinación de una serie y circuitos de resonancia sintonizados en paralelo, que oscilan a dos frecuencias diferentes con la diferencia muy pequeña entre los dos dependiendo del corte del cristal. Además, dado que el cristal puede operar en su serie o en frecuencias de resonancia paralelas, un circuito de oscilador de cristal debe estar sintonizado en una u otra frecuencia, ya que no pueden usar ambos a la vez.

Dependiendo de las características del circuito, unel cristal de cuarzo puede actuar como un condensador, un inductor, un circuito de resonancia en serie o como un circuito de resonancia paralelo y para demostrar esto más claramente, también podemos trazar la reactancia de los cristales contra la frecuencia, como se muestra.

Reactancia cristalina contra la frecuencia

reactancia de cristal de cuarzo
Fórmula de reactancia de cristal de cuarzo

La pendiente de la reactancia frente a la frecuencia.arriba, muestra que la reactancia en serie a la frecuencia ƒs es inversamente proporcional a Cs porque, por debajo de ƒs y por encima de ƒp, el cristal parece capacitivo. Entre las frecuencias ƒs y ƒp, el cristal aparece inductivo cuando se cancelan las dos capacitancias paralelas.

Luego, la fórmula para la frecuencia de resonancia de la serie de cristales, ƒs se da como:

Frecuencia de resonancia en serie

ecuación de resonancia en serie

La frecuencia de resonancia paralela, ƒp, se produce cuando la reactancia de la serie LC es igual a la reactancia del condensador paralelo, Cp y se da como:

Frecuencia Resonante Paralela

ecuación de resonancia paralela

Quart Crystal Oscillator Ejemplo No1

Un cristal de cuarzo tiene los siguientes valores: Rs = 6.4Ω, Cs = 0.09972pF y Ls = 2.546mH. Si la capacitancia a través de su terminal, Cp se mide a 28.68pF, Calcule la frecuencia de oscilación fundamental del cristal y su frecuencia de resonancia secundaria.

La serie de cristales de frecuencia resonante, ƒ.S

serie de osciladores de frecuencia de resonancia

La frecuencia resonante paralela del cristal, ƒ.PAG

osciladores de frecuencia de resonancia paralela

Podemos ver que la diferencia entre ƒs, lala frecuencia fundamental del cristal y ƒp es pequeña a aproximadamente 18 kHz (10.005MHz - 9.987MHz). Sin embargo, durante este rango de frecuencia, el factor Q (Factor de calidad) del cristal es extremadamente alto porque la inductancia del cristal es mucho más alta que sus valores capacitivos o resistivos. El factor Q de nuestro cristal en la frecuencia de resonancia de la serie se da como:

Osciladores de cristal Q-factor

oscilador de cristal q factor

Entonces, el factor Q de nuestro ejemplo de cristal, alrededor de 25,000, se debe a este alto XL/ R ratio. El factor Q de la mayoría de los cristales está en el área de 20,000 a 200,000 en comparación con un buen circuito de tanque sintonizado LC que vimos anteriormente, que será mucho menor que 1,000. Este alto valor del factor Q también contribuye a una mayor estabilidad de frecuencia del cristal en su frecuencia operativa, lo que lo hace ideal para construir circuitos de oscilador de cristal.

Así que hemos visto que un cristal de cuarzo tiene unaFrecuencia de resonancia similar a la de un circuito de tanque LC sintonizado eléctricamente pero con un factor Q mucho más alto. Esto se debe principalmente a su baja resistencia en serie, Rs. Como resultado, los cristales de cuarzo son una excelente opción de componentes para su uso en osciladores, especialmente en osciladores de muy alta frecuencia.

Osciladores de cristal típicos pueden variar enFrecuencias de oscilación de aproximadamente 40 kHz a más de 100 MHz, dependiendo de la configuración de su circuito y del dispositivo de amplificación utilizado. El corte del cristal también determina cómo se comportará, ya que algunos cristales vibrarán a más de una frecuencia, produciendo oscilaciones adicionales llamadas sobretonos.

Además, si el cristal no es de forma paralela ode grosor uniforme, puede tener dos o más frecuencias de resonancia, ambas con una frecuencia fundamental que produce lo que se llama y armónicos, como los armónicos segundo o tercero.

En general, aunque la oscilación fundamentalLa frecuencia de un cristal de cuarzo es mucho más fuerte o pronunciada que la de los armónicos secundarios que la rodean, por lo que esta sería la utilizada. Hemos visto en los gráficos anteriores que un circuito de cristales equivalentes tiene tres componentes reactivos, dos condensadores más un inductor, por lo que hay dos frecuencias resonantes, la más baja es una frecuencia resonante en serie y la más alta es la frecuencia resonante paralela.

Hemos visto en los tutoriales anteriores, que un circuito amplificador oscilará si tiene una ganancia de bucle mayor o igual a uno y la retroalimentación es positiva. en un Oscilador de cristal de cuarzo el oscilador oscilará en la frecuencia de resonancia paralela fundamental de los cristales, ya que el cristal siempre quiere oscilar cuando se le aplica una fuente de voltaje.

Sin embargo, también es posible "sintonizar" un oscilador de cristal a cualquier armónico par de la frecuencia fundamental, (segundo, cuarto, octavo, etc.) y estos se conocen generalmente como Osciladores armónicos mientras Osciladores Entonados vibrar en múltiplos impares de la frecuencia fundamental, 3ª, 5ª, 11ª, etc.). En general, los osciladores de cristal que operan en frecuencias de armónicos lo hacen utilizando su frecuencia de resonancia en serie.

Oscilador de cristal de cuarzo Colpitts

Circuitos de oscilador de cristal. generalmente se construyen utilizando bipolarTransistores o FETs. Esto se debe a que, aunque los amplificadores operacionales se pueden usar en muchos circuitos osciladores de baja frecuencia (≤100kHz), los amplificadores operacionales simplemente no tienen el ancho de banda para operar con éxito en las frecuencias más altas adecuadas para cristales por encima de 1MHz.

El diseño de un Oscilador de cristal Es muy similar al diseño de los Colpitts.El oscilador que vimos en el tutorial anterior, excepto que el circuito del tanque LC que proporciona las oscilaciones de realimentación ha sido reemplazado por un cristal de cuarzo, como se muestra a continuación.

Colpitts Crystal Oscillator

oscilador de cristal colpitts

Este tipo de Osciladores de cristal están diseñados alrededor de un amplificador colector común (emisor-seguidor). El r1 y R2 La red de resistencia establece el nivel de polarización de CC en la Base mientras que la resistencia del emisor Rmi establece el nivel de voltaje de salida. Resistor R2 se establece lo más grande posible para evitar que se cargue en el cristal conectado en paralelo.

El transistor, un 2N4265 es un NPN de propósito generalel transistor está conectado en una configuración de colector común y es capaz de operar a velocidades de conmutación superiores a 100Mhz, muy por encima de la frecuencia fundamental de los cristales, que puede estar entre aproximadamente 1MHz y 5MHz.

El diagrama de circuito de arriba de la Colpitts Crystal Oscillator El circuito muestra que los condensadores, C1 y C2 derivan.La salida del transistor que reduce la señal de realimentación. Por lo tanto, la ganancia del transistor limita los valores máximos de C1 y C2. La amplitud de salida debe mantenerse baja para evitar una excesiva disipación de energía en el cristal, de lo contrario podría destruirse a sí mismo por una vibración excesiva.

Pierce Oscilador

Otro diseño común del oscilador de cristal de cuarzo es el de la Pierce Oscilador. El oscilador Pierce tiene un diseño muy similar al oscilador Colpitts anterior y es muy adecuado para implementar circuitos de oscilador de cristal utilizando un cristal como parte de su circuito de retroalimentación.

El oscilador Pierce es principalmente una serie.circuito sintonizado resonante (a diferencia del circuito resonante paralelo del oscilador Colpitts) que utiliza un JFET para su dispositivo amplificador principal, ya que los FET proporcionan impedancias de entrada muy altas con el cristal conectado entre el drenaje y la puerta a través del condensador C1 como se muestra a continuación.

Pierce Crystal Oscillator

perforar el oscilador de cristal

En este sencillo circuito, el cristal determina.La frecuencia de las oscilaciones y opera a su frecuencia de resonancia en serie, es una ruta de baja impedancia entre la salida y la entrada. Hay un 180o Cambio de fase en la resonancia, haciendo que la retroalimentación sea positiva. La amplitud de la onda sinusoidal de salida se limita al rango de voltaje máximo en el terminal de drenaje.

Resistor, R1 controla la cantidad de realimentación ymientras que el voltaje a través del estrangulador de radio frecuencia, RFC se invierte durante cada ciclo. La mayoría de los relojes digitales, relojes y temporizadores utilizan un Oscilador Pierce de una forma u otra, ya que puede implementarse utilizando el mínimo de componentes.

Además de utilizar transistores y FET, podemostambién cree un oscilador de cristal básico de resonancia paralela similar en funcionamiento al oscilador Pierce utilizando un inversor CMOS como elemento de ganancia. El oscilador de cristal de cuarzo básico consiste en una única compuerta lógica de activación Schmitt, como la TTL 74HC19 o la CMOS 40106, 4049 tipos, un cristal inductivo y dos capacitores. Estos dos condensadores determinan el valor de la capacidad de carga de los cristales. La resistencia en serie ayuda a limitar la corriente de excitación en el cristal y también aísla la salida de los inversores de la impedancia compleja formada por la red de cristal de condensador.

Oscilador de cristal CMOS

oscilador de cristal cmos

El cristal oscila en su serie resonancia.frecuencia. El inversor CMOS está inicialmente cargado en el centro de su región operativa por la resistencia de realimentación, R1. Esto asegura que el punto Q del inversor se encuentre en una región de alta ganancia. Aquí se usa una resistencia de valor de 1MΩ, pero su valor no es crítico siempre que sea más de 1MΩ. Se utiliza un inversor adicional para amortiguar la salida del oscilador a la carga conectada.

El inversor proporciona 180o de cambio de fase y la red de condensadores de cristal los 180 adicionaleso requerido para la oscilación. La ventaja del oscilador de cristal CMOS es que siempre se reajustará automáticamente para mantener este 360o Cambio de fase para la oscilación.

A diferencia del anterior transistor de cristal.Osciladores que produjeron una forma de onda de salida sinusoidal, ya que el inversor CMOS utiliza puertas lógicas digitales, la salida es una onda cuadrada que oscila entre ALTO y BAJO. Naturalmente, la frecuencia de operación máxima depende de las características de conmutación de la puerta lógica utilizada.

Microprocesador de cristal de cuarzo.

No podemos terminar un Osciladores de cristal de cuarzo Tutorial sin mencionar algo sobre relojes de cristal con microprocesador. Prácticamente todos los microprocesadores, microcontroladores, PIC y CPU funcionan generalmente con un Oscilador de cristal de cuarzo como su dispositivo de determinación de la frecuencia para generarsu forma de onda del reloj porque, como ya sabemos, los osciladores de cristal proporcionan la mayor precisión y estabilidad de frecuencia en comparación con los osciladores de resistencia-condensador, (RC) o inductor-condensador, (LC).

El reloj de la CPU determina qué tan rápido puede el procesadorejecutar y procesar los datos con un microprocesador, PIC o microcontrolador con una velocidad de reloj de 1MHz significa que puede procesar datos internamente un millón de veces por segundo en cada ciclo de reloj. En general, todo lo que se necesita para producir una forma de onda de reloj de microprocesador es un cristal y dos condensadores cerámicos de valores que oscilan entre 15 y 33 pF, como se muestra a continuación.

Oscilador de microprocesador

microprocesador de cristal de cuarzo oscilador

La mayoría de los microprocesadores, microcontroladores y PIC.tiene dos pines del oscilador etiquetados como OSC1 y OSC2 para conectarse a un circuito externo de cristal de cuarzo, a una red de osciladores RC estándar o incluso a un resonador cerámico. En este tipo de aplicación de microprocesador el Oscilador de cristal de cuarzo Produce un tren de pulsos de onda cuadrada continua.cuya frecuencia fundamental es controlada por el propio cristal. Esta frecuencia fundamental regula el flujo de instrucciones que controla el dispositivo procesador. Por ejemplo, el reloj maestro y la temporización del sistema.

Quart Crystal Oscillator Ejemplo No2

Un cristal de cuarzo tiene los siguientes valores después de ser cortado, Rs = 1kΩ, Cs = 0.05pF, Ls = 3H y Cp = 10pF. Calcula la serie de cristales y las frecuencias de oscilación paralelas.

La frecuencia de oscilación de la serie se da como:

Frecuencia de oscilación de la serie de cristales de cuarzo.

La frecuencia de oscilación paralela se da como:

Cristal de cuarzo de frecuencia de oscilación paralela.

Entonces la frecuencia de oscilación para el cristal estará entre 411kHz y 412kHz.

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