Una dintre cele mai importante caracteristici ale oricărui oscilator este stabilitatea sa de frecvență sau, cu alte cuvinte, capacitatea sa de a furniza o ieșire de frecvență constantă în condiții de sarcină variabilă.

Unii dintre factorii care afectează stabilitatea de frecvență a unui oscilator includ, în general, variațiile temperaturii, variațiile în sarcină, precum și modificarea tensiunii de alimentare cu curent continuu pentru a numi câteva.

Stabilitatea de frecvență a semnalului de ieșire poate fi îmbunătățită foarte mult prin selectarea corespunzătoare a componentelor utilizate pentru circuitul de feedback rezonant, inclusiv amplificatorul. Dar există o limită a stabilității care poate fi obținută din circuitele rezervor normale LC și RC.

Deci, dispozitivele piezoelectrice pot fi clasificate ca traductoare în timp ce convertesc energia de un fel în altă energie (electrică în mecanică sau mecanică în electrică). Acest efect piezoelectric produce vibrații sau oscilații mecanice care pot fi folosite pentru a înlocui circuitul rezervor LC în oscilatoarele anterioare.

Există multe tipuri diferite de substanțe cristaline care pot fi utilizate ca oscilatoare, cele mai importante pentru circuitele electronice fiind mineralele de cuarț, datorate în parte rezistenței lor mecanice mai mari.

Cristalul de cuarț utilizat într-un Oscilator cu cristal de cuarț este o piesă foarte mică, subțire de cuarț tăiat, cu cele două suprafețe paralele metalizate pentru a realiza conexiunile electrice necesare. Mărimea fizică și grosimea unei bucăți de cristal de cuarț sunt controlate riguros, deoarece afectează frecvența finală sau fundamentală a oscilațiilor. Frecvența fundamentală este în general numită "frecvența caracteristică" a cristalelor.

Odată tăiat și format, cristalul nu poate fi folosit la nici o altă frecvență. Cu alte cuvinte, mărimea și forma lui determină frecvența sa de oscilație fundamentală.

Caracteristica sau frecvența caracteristică cristalelor este invers proporțională cu grosimea fizică dintre cele două suprafețe metalizate. Un cristal cu vibrație mecanică poate fi reprezentat de un circuit electric echivalent constând din o rezistență scăzută R, o inductanță mare L și o capacitate mică C, după cum se arată mai jos.

Model echivalent al cristalului de cuarț

Circuitul electric echivalent pentru cristal de cuarț prezintă un circuit RLC serie, care reprezintă vibrațiile mecanice ale cristalului, în paralel cu o capacitate Cp care reprezintă conexiunile electrice la cristal. Oscilatoarele de cristal cu cuarț tind să funcționeze spre "rezonanța lor serie".

Impedanța echivalentă a cristalului are o rezonanță serie unde Cs rezonează cu inductanța Ls la frecvența de operare a cristalelor. Această frecvență se numește frecvența serie a cristalului ƒs. Pe lângă această frecvență serie, există un al doilea punct de frecvență stabilit ca urmare a rezonanței paralele creată când Ls și Cs rezonează cu condensatorul paralel Cp, așa cum se arată.

Impedanța cristalului funcție de frecvență

Panta impedanței cristalelor de mai sus arată că, pe măsură ce frecvența crește pe terminalele sale, la o anumită frecvență, interacțiunea dintre condensatorul serie Cs și inductorul Ls creează un circuit de rezonanță serie care reduce impedanța cristalelor la un minim și egală cu Rs. Acest punct de frecvență se numește frecvența de rezonanță serie a cristalelor ƒs și sub ƒs cristalul este capacitiv.

Pe măsură ce frecvența crește peste acest punct de rezonanță serie, cristalul se comportă ca un inductor până când frecvența ajunge la frecvența de rezonanță paralelă ƒp. La acest punct de frecvență, interacțiunea dintre inductorul serie Ls și condensatorul paralel Cp creează un circuit rezervor LC acordat paralel și astfel impedanța în cristal atinge valoarea maximă.

Vedem că un cristal de cuarț este o combinație de circuite de rezonanță acordate serie și paralel, oscilând la două frecvențe diferite, cu diferența foarte mică dintre cele două, în funcție de tăierea cristalului. De asemenea, deoarece cristalul poate funcționa fie la frecvența sa de rezonanță serie, fie la frecvența de rezonanță paralelă, un circuit oscilator cu cristal trebuie să fie acordat la una sau cealaltă frecvență, deoarece nu puteți utiliza ambele împreună.

Deci, în funcție de caracteristicile circuitelor, un cristal de cuarț poate acționa fie ca un condensator, fie ca inductor, fie ca un circuit de rezonanță serie sau ca un circuit de rezonanță paralelă și pentru a demonstra acest lucru mai clar, putem să trasăm reactanța cristalelor funcție de frecvență, așa cum este arătat.

Reactanța cristalului funcție de frecvență

Panta reactanței față de frecvența de mai sus, arată că reactanța serie la frecvența ƒs este invers proporțională cu Cs deoarece sub ƒs și peste ƒp cristalul apare capacitiv. Între frecvențele ƒs și ƒp, cristalul apare inductiv, deoarece cele două capacități paralele se anulează.

Atunci, formula pentru frecvența de rezonanță serie a cristalului ƒs este dată de:

Frecvența de rezonanță paralelă ƒp apare atunci când reactanța ramurii LC serie este egală cu reactanța condensatorului paralel Cp și este dată de:

Oscilator cu cristal de cuarț. Exemplul nr. 1

Un cristal de cuarț are următoarele valori: Rs = 6,4 Ω, Cs = 0,09972 pF și Ls = 2,546 mH. Dacă capacitatea pe terminalul său Cp este măsurată la 28,68 pF, calculați frecvența de oscilație fundamentală a cristalului și frecvența de rezonanță secundară.

Frecvența de rezonanță serie a cristalului ƒS

Frecvența de rezonanță paralelă a cristalului ƒP

Putem vedea că diferența dintre ƒs, frecvența fundamentală a cristalului și ƒp este mică de aproximativ 18 kHz (10,005 MHz - 9,987 MHz). Dar, în timpul acestui interval de frecvență, factorul Q (factor de calitate) al cristalului este extrem de ridicat deoarece inductanța cristalului este mult mai mare decât valorile sale capacitive sau rezistive. Factorul Q al cristalului nostru la frecvența de rezonanță serie este dat de:

Factorul Q al oscilatorului cu cristal

Atunci factorul Q al exemplului nostru de cristal, aproximativ 25.000, se datorează acestui raport XL/R ridicat. Factorul Q al majorității cristalelor se situează în zona de 20.000 până la 200.000, comparativ cu un bun circuit rezervor acordat LC, pe care l-am văzut mai devreme, care va fi mult mai mic de 1.000. Această valoare ridicată a factorului Q contribuie la o stabilitate mai mare a frecvenței cristalului la frecvența sa de operare, ceea ce îl face ideal pentru a construi circuite oscilatoare cu cristal.

Așadar, am văzut că un cristal de cuarț are o frecvență de rezonanță similară cu cea a unui circuit rezervor LC acordat electric, dar cu un factor Q mult mai mare. Acest lucru se datorează în principal rezistenței sale serie scăzută Rs. Ca rezultat, cristalele de cuarț fac o alegere excelentă a componentelor pentru utilizarea în oscilatoare, în special la oscilatoarele cu frecvență foarte ridicată.

Oscilatoarele tipice cu cristal pot varia în frecvențe de oscilație de la aproximativ 40 kHz până la peste 100 MHz, în funcție de configurația circuitului și de dispozitivul de amplificare utilizat. Tăierea cristalului determină, de asemenea, modul în care se va comporta, deoarece unele cristale vor vibra la mai mult de o frecvență, generând oscilații adiționale numite accentuări.

În cazul în care cristalul nu are o grosime paralelă sau uniformă, acesta poate avea două sau mai multe frecvențe de rezonanță, ambele cu o frecvență fundamentală care produce ceea ce se numește și armonici, cum ar fi a doua sau a treia armonică.

În general, frecvența de oscilație fundamentală pentru un cristal de cuarț este mult mai puternică sau pronunțată decât cea a armonicelor secundare din jurul acesteia, astfel încât aceasta ar fi cea utilizată. Am văzut în graficele de mai sus că un circuit echivalent de cristal are trei componente reactive, două condensatoare plus un inductor, deci există două frecvențe de rezonanță, cea mai mică este o frecvență de rezonanță serie și cea mai mare este frecvența de rezonanță paralelă.

Am văzut în tutorialele anterioare că un circuit amplificator va oscila dacă are un câștig de buclă mai mare sau egal cu unu și feedback-ul este pozitiv. Într-un circuit Oscilator cu cristal de cuarț oscilatorul va oscila la frecvența de rezonanță paralelă fundamentală a cristalului, deoarece cristalul dorește să oscileze când i se aplică o sursă de tensiune.

Dar, este posibil să se "acordeze" un oscilator de cristal pe orice armonică pară a frecvenței fundamentale (2, 4, 8, etc.) și acestea sunt cunoscute în general ca Oscilatoare Armonice, în timp ce Oscilatoarele Overtone vibrează la multipli impari ai frecvenței fundamentale (3, 5, 11, etc). În general, oscilatoarele de cristal care funcționează la frecvențe overtone fac acest lucru utilizând frecvența lor de rezonanță serie.

Oscilatorul Colpitts cu cristal de cuarț

Circuitele oscilatoare de cristal sunt construite folosind tranzistoare bipolare sau FET. Acest lucru se datorează faptului că, deși amplificatoarele operaționale pot fi utilizate în multe circuite oscilatoare de joasă frecvență (≤ 100 kHz), amplificatoarele operaționale nu au lățimea de bandă pentru a funcționa cu succes la frecvențele mai înalte, potrivite pentru cristale de peste 1 MHz.

Schema unui Oscilator cu Cristal este foarte asemănătoare cu schema Oscilatorului Colpitts pe care am analizat-o în tutorialul anterior, cu excepția faptului că circuitul rezervor LC care furnizează oscilațiile de feedback a fost înlocuit cu un cristal de cuarț, după cum se arată mai jos.

Oscilatorul Colpitts cu cristal

Acest tip de Oscilator cu cristal este proiectat în jurul unui amplificator cu colector comun (repetor pe emitor). Rețeaua de rezistoare R1 și R2 stabilește nivelul de polarizare DC pe Bază, în timp ce rezistorul de emitor RE stabilește nivelul tensiunii de ieșire. Rezistorul R2 este setat cât mai mare posibil pentru a preveni încărcarea cristalului conectat în paralel.

Tranzistorul, un 2N4265 este un tranzistor NPN, de uz general, conectat într-o configurație colector comun și capabil să funcționeze la viteze de comutare mai mari de 100 Mhz, cu mult peste frecvența fundamentală a cristalelor care poate fi între aproximativ 1 MHz și 5 MHz.

Schema de mai sus a circuitului Oscilator Colpitts cu Cristal arată că condensatoarele C1 și C2 șuntează ieșirea tranzistorului, ceea ce reduce semnalul de reacție. Prin urmare, câștigul tranzistorului limitează valorile maxime ale lui C1 și C2. Amplitudinea de ieșire ar trebui menținută la un nivel scăzut, pentru a evita disiparea excesivă a puterii în cristal, altfel se poate distruge singur prin vibrații excesive.

Oscillator Pierce

Un alt model comun al oscilatorului cu cristal de cuarț este acela al oscilatorului Pierce. Oscilatorul Pierce este foarte asemănător în schemă cu oscilatorul Colpitts anterior și este bine adaptat pentru implementarea circuitelor oscilatoare de cristal folosind un cristal ca parte a circuitului său de feedback.

Oscilatorul Pierce este în primul rând un circuit rezonant acordat serie (spre deosebire de circuitul rezonant paralel al oscilatorului Colpitts,) care folosește un JFET pentru dispozitivul său de amplificare principal, deoarece FET furnizează impedanțe de intrare foarte mare, cu cristalul conectat între drenă și poartă prin condensatorul C1, ca mai mai jos.

În acest circuit simplu, cristalul determină frecvența oscilațiilor și operează la frecvența sa de rezonanță serie ƒs dând o cale de impedanță redusă între ieșire și intrare. Există o defazare de 180⁰ la rezonanță, ceea ce face feedback pozitiv. Amplitudinea undei sinusoidale de ieșire este limitată la domeniul maxim de tensiune la terminalul Drenă.

Rezistorul R1 controlează cantitatea de reacție și comandă cristalul, în timp ce tensiunea pe șocul de radiofrecvență RFC se inversează în timpul fiecărui ciclu. Majoritatea ceasurilor digitale, ceasuri și cronometre utilizează un Oscilator Pierce sub o formă sau alta, deoarece poate fi implementat folosind minimum de componente.

Pe lângă utilizarea tranzistoarelor și a FET-urilor, putem crea un simplu oscilator bazic de cristal rezonant paralel, similar în operare cu oscilatorul Pierce, utilizând un inversor CMOS ca element de câștig. Oscilatorul cu cristal de cuarț de bază constă într-o singură poartă logică trigger-Schmitt inversor, cum ar fi tipurile TTL 74HC19 sau CMOS 40106, 4049, un cristal inductiv și două condensatoare. Aceste două condensatoare determină valoarea capacității de sarcină a cristalelor. Rezistorul serie ajută la limitarea curentului de acționare în cristal și, de asemenea, izolează ieșirea inversorului de impedanța complexă formată din rețeaua cristal-condensator.

Oscilator CMOS cu cristal

Cristalul oscilează la frecvența sa de rezonanță serie. Inversorul CMOS este inițial polarizat în mijlocul regiunii sale de funcționare de către rezistorul de reacție R1. Acest lucru asigură că punctul Q al inversorului se află într-o regiune cu câștig ridicat. Aici este folosit un rezistor cu valoare de 1 MΩ, dar valoarea sa nu este critică atât timp cât este mai mare de 1 MΩ. Un inversor suplimentar este utilizat pentru a tampona ieșirea de la oscilator la sarcina conectată.

Inversorul furnizează o defazare 180⁰ și rețeaua de condensator cristal o defazare suplimentară de 180⁰ necesară pentru oscilație. Avantajul oscilatorului CMOS cu cristal este că se va reajusta automat întotdeauna pentru a menține această defazare de 360⁰ pentru oscilație.

Spre deosebire de oscilatoarele cu cristal bazate pe tranzistoare, care au produs o formă de undă sinusoidală de ieșire, deoarece oscilatorul CMOS Inversor utilizează porți logice digitale, ieșirea este o undă pătrată care oscilează între HIGH și LOW. Frecvența maximă de funcționare depinde de caracteristicile de comutare ale porții logice folosite.

Tactul microprocesorului cu cristal de cuarț

În general, toate microprocesoarele, microcontrolerele, PIC-urile și CPU-urile funcționează folosind un Oscilator cu cristal de cuarț ca dispozitiv de determinare a frecvenței pentru a genera forma de undă a tactului, deoarece, după cum știm deja, oscilatoarele cu cristal oferă cea mai mare precizie și stabilitate a frecvenței în comparație cu oscilatoarele rezistor-condensator (RC) sau inductor-condensator (LC).

Ceasul (tactul) CPU dictează cât de repede procesorul poate rula și procesa datele cu un microprocesor, PIC sau un microcontroler. Având o viteză de ceas de 1 MHz înseamnă că poate procesa datele intern de un milion de ori pe secundă la fiecare ciclu de ceas. În general, tot ceea ce este necesar pentru a produce o formă de undă a microprocesorului este un cristal și două condensatoare ceramice cu valori cuprinse între 15 și 33 pF, după cum se arată mai jos.

Oscilator cu microprocesor

Majoritatea microprocesoarelor, microcontrolerelor și PIC-urilor au doi pini de oscilatoare, etichetați OSC1 și OSC2 pentru a se conecta la un circuit cu cristal de cuarț extern, o rețea de oscilatoare RC standard sau chiar un rezonator ceramic. În acest tip de aplicație cu microprocesor, Oscilatorul de cristal de cuarț produce un tren de impulsuri de undă pătrate continuă a căror frecvență fundamentală este controlată de cristalul însuși. Această frecvență fundamentală reglează fluxul de instrucțiuni care controlează dispozitivul procesor. De exemplu, ceasul master și sincronizarea sistemului.

Oscilator cu cristal de cuarț. Exemplu nr. 2

Un cristal de cuarț are următoarele valori după tăiere, Rs = 1 kΩ, Cs = 0,05 pF, Ls = 3 H și Cp = 10 pF. Calculați frecvențele de oscilație serie și paralel ale cristalului.

Frecvența de oscilație serie este dată de:

Frecvența de oscilație paralelă este dată de:

Atunci, frecvența de oscilație pentru cristal va fi între 411 kHz și 412 kHz .