- Cristall de quars i el seu circuit equivalent
- Impedància de sortida de cristall contra freqüència
- Reactància cristal·lina contra freqüència
- Factor Q del cristall de quars:
- Oscil·lador de vidre de quars Exemple amb càlcul
- Oscil·lador de vidre Colpitts
- Oscil·lador Pierce Crystal
- Oscil·lador CMOS
- Proporcionar rellotge al microprocessador mitjançant cristalls
Als nostres anteriors tutorials sobre oscil·ladors de fase RC i Wein Bridge, ens fem una idea clara del que és un oscil·lador. Un oscil·lador és una construcció mecànica o electrònica que produeix oscil·lació en funció de poques variables. Un bon oscil·lador adequat produeix una freqüència estable.
En el cas dels oscil·ladors RC (Resistor-Capacitor) o RLC (Resistor-Inductor-Capacitor), no són una bona opció on es necessiten oscil·lacions estables i precises. Els canvis de temperatura afecten la línia de càrrega i subministrament elèctric, que al seu torn afecta l'estabilitat del circuit de l'oscil·lador. L'estabilitat es pot millorar fins a un cert nivell en cas de circuits RC i RLC, però la millora no és suficient en casos específics.
En aquesta situació, s’utilitza el cristall de quars. El quars és un mineral compost per àtoms de silici i oxigen. Reacciona quan s’aplica una font de tensió al cristall de quars. Produeix una característica, identificada com a efecte piezoelèctric. Quan s’aplica una font de tensió, canviarà de forma i produirà forces mecàniques, i les forces mecàniques tornaran enrere i produiran càrrega elèctrica.
En convertir l'energia elèctrica en mecànica i la mecànica en elèctrica, es denomina transductors. Aquests canvis produeixen vibracions molt estables i, com a efecte piezoelèctric, produeixen les oscil·lacions estables.
Cristall de quars i el seu circuit equivalent
Aquest és el símbol de Crystal Oscillator. El vidre de quars està format per una fina peça d’hòstia de quars ben ajustada i controlada entre dues superfícies paral·leles metalitzades. Les superfícies metalitzades es fan per a connexions elèctriques, i la mida i densitat física del quars també es controla estretament, ja que els canvis de forma i mida afecten directament la freqüència d’oscil·lació. Un cop es forma i es controla, la freqüència produïda es fixa, la freqüència fonamental no es pot canviar en altres freqüències. Aquesta freqüència específica per al cristall específic s’anomena freqüència característica.
A la imatge superior, el circuit esquerre representa el circuit equivalent de cristall de quars, que es mostra a la part dreta. Com podem veure, s’utilitzen 4 components passius, dos condensadors C1 i C2 i un inductor L1, resistència R1. C1, L1, R1 està connectat en sèrie i el C2 connectat en paral·lel.
El circuit en sèrie que consta d’un condensador, una resistència i un inductor, simbolitza el comportament controlat i les operacions estables del cristall i del condensador paral·lel, C2 representa la capacitat paral·lela del circuit o el cristall equivalent.
A la freqüència de funcionament, el C1 ressona amb la inductància L1. Aquesta freqüència de funcionament es coneix com a freqüència de sèrie de cristalls (fs). A causa d'aquesta freqüència de sèrie, es va reconèixer un punt de freqüència secundari amb la ressonància paral·lela. L1 i C1 també ressonen amb el condensador paral·lel C2. El condensador paral·lel C2 sovint es descriu com el nom de C0 i s’anomena Shunt Capacitance of a Quartz Crystal.
Impedància de sortida de cristall contra freqüència
Si apliquem la fórmula de reactància a dos condensadors, aleshores, per al condensador sèrie C1, la reactància capacitiva serà: -
X C1 = 1 / 2πfC 1
On, F = Freqüència i C1 = valor de la capacitat de la sèrie.
La mateixa fórmula s'aplica també al condensador paral·lel, la reactància capacitiva del condensador paral·lel serà: -
X C2 = 1 / 2πfC 2
Si veiem el gràfic de relació entre la impedància de sortida i la freqüència, veurem els canvis en la impedància.
A la imatge superior veiem la corba d’impedància de l’oscil·lador de cristall i també veiem com canvia aquesta pendent quan canvia la freqüència. Hi ha dos punts, un és un punt de freqüència de ressonància en sèrie i l’altre és un punt de freqüència de ressonància paral·lel.
En el punt de freqüència ressonant de la sèrie, la impedància es va convertir en mínima. El condensador de la sèrie C1 i la sèrie Inductor L1 creen una ressonància de sèrie que és igual a la resistència de sèrie.
Per tant, en aquest punt de freqüència ressonant de la sèrie, passaran les coses següents: -
- La impedància és mínima en comparació en altres temps de freqüència.
- La impedància és igual a la resistència de la sèrie.
- Per sota d’aquest punt, el cristall actua com una forma capacitiva.
A continuació, la freqüència canvia i el pendent augmenta lentament fins al punt màxim en freqüència de ressonància paral·lela, en aquest moment, abans d'arribar al punt de freqüència de ressonància paral·lela, el cristall actua com un inductor de sèrie.
Després d’arribar al punt de freqüència paral·lel, el pendent d’impedància arriba al valor màxim. El condensador paral·lel C2 i la sèrie Inductor creen un circuit de tanc LC i, per tant, la impedància de sortida es va elevar.
És així com el cristall es comporta com a inductor o com un condensador en sèrie i en ressonància paral·lela. El cristall pot operar en aquestes freqüències de ressonància, però no al mateix temps. Cal posar-se en sintonia amb qualsevol altra cosa específica per operar.
Reactància cristal·lina contra freqüència
La reactivitat en sèrie del circuit es pot mesurar mitjançant aquesta fórmula: -
X S = R2 + (XL 1 - XC 1) 2
On, R és el valor de la resistència
Xl1 és la inductància en sèrie del circuit
Xc1 és la capacitat de sèrie del circuit.
La reactància capacitiva paral·lela del circuit serà: -
X CP = -1 / 2πfCp
La reactància paral·lela del circuit serà: -
Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp
Si veiem el gràfic quedarà així: -
Com podem veure al gràfic superior que la reactància de la sèrie en el punt de ressonància de la sèrie és inversament proporcional a C1, en el punt de fs a fp el cristall actua com a inductiu perquè en aquest punt, dues capacitats paral·leles es fan insignificants.
D'altra banda, el cristall estarà en forma capacitiva quan la freqüència estigui fora dels punts fs i fp.
Podem calcular la freqüència de ressonància de la sèrie i la freqüència de ressonància paral·lela utilitzant aquestes dues fórmules:
Factor Q del cristall de quars:
Q és la forma breu de qualitat. És un aspecte important de la ressonància dels cristalls de quars. Aquest factor Q determina l'estabilitat de freqüència de Crystal. En general, el factor Q d’un cristall oscil·la entre 20.000 i més de 100.000. De vegades, el factor Q d'un cristall també és més de 200.000 observable.
El factor Q d'un cristall es pot calcular mitjançant la següent fórmula:
Q = X L / R = 2πfsL 1 / R
On, X L és la reactància de l’inductor i R és la resistència.
Oscil·lador de vidre de quars Exemple amb càlcul
Calcularem la freqüència de ressonància de la sèrie de cristalls de quars, la freqüència de ressonància paral·lela i el factor de qualitat del cristall quan estiguin disponibles els punts següents:
R1 = 6,8R
C1 = 0,09970pF
L1 = 3mH
I C2 = 30pF
La freqüència de ressonància de la sèrie del cristall és -
La freqüència de ressonància paral·lela de Crystal, fp és -
Ara podem entendre que la freqüència de ressonància de la sèrie és de 9,20 MHz i la freqüència de ressonància paral·lela és de 9,23 MHz
El factor Q d’aquest cristall serà
Oscil·lador de vidre Colpitts
Circuit d'oscil·lador de cristall construït mitjançant transistor bipolar o diversos tipus de FET. A la imatge superior, es mostra un oscil·lador colpitts; el divisor de tensió capacitiva s'utilitza per a la retroalimentació. El transistor Q1 té una configuració d’emissor comú. Al circuit superior s’utilitza R1 i R2 per a la polarització del transistor i C1 s’utilitza com a condensador de derivació que protegeix la base dels sorolls de RF.
En aquesta configuració, el cristall actuarà com un derivació a causa de la connexió del col·lector a terra . És en configuració ressonant paral·lela. El condensador C2 i C3 s’utilitza per fer comentaris. El cristall Q2 està connectat com a circuit ressonant paral·lel.
L'amplificació de sortida és baixa en aquesta configuració per evitar l'excés de dissipació d'energia al cristall.
Oscil·lador Pierce Crystal
Una altra configuració utilitzada en l'oscil·lador de cristall de quars, on el transistor es canvia a un JFET per a l'amplificació on el JFET es troba en impedàncies d'entrada molt altes quan el cristall es connecta a Drain to Gate mitjançant un condensador.
A la imatge superior es mostra un circuit de l’ oscil·lador Pierce Crystal. El C4 proporciona la retroalimentació necessària en aquest circuit de l’oscil·lador. Aquest feedback és un feedback positiu que és un desplaçament de fase de 180 graus a la freqüència de ressonància. R3 controla la retroalimentació i el cristall proporciona l’oscil·lació necessària.
L'oscil·lador de vidre Pierce necessita un mínim recompte de components i, per això, és una opció preferible on l'espai és limitat. El rellotge digital, els temporitzadors i diversos tipus de rellotges utilitzen un circuit oscil·lador de cristall perforat. El valor d'amplitud d'ona sinusoïdal de sortida a pic està limitat pel rang de tensió JFET.
Oscil·lador CMOS
Es pot fer un oscil·lador bàsic que utilitzi configuració de cristall de ressonància paral·lela mitjançant un inversor CMOS. L'inversor CMOS es pot utilitzar per aconseguir l'amplitud necessària. Consisteix en invertir el disparador Schmitt com el 4049, 40106 o el xip lògic transistor-transistor (TTL) 74HC19, etc.
A la imatge superior s'utilitzava 74HC19N, que actuava com a disparador de Schmitt en la configuració d'inversió. El cristall proporcionarà l'oscil·lació necessària en freqüència de ressonància en sèrie. R1 és la resistència de retroalimentació del CMOS i proporciona un factor Q elevat amb altes capacitats de guany. El segon 74HC19N és un reforç per proporcionar una producció suficient per a la càrrega.
L'inversor funciona a una sortida de canvi de fase de 180 graus i el Q1, C2, C1 proporciona un canvi de fase addicional de 180 graus. Durant el procés d'oscil·lació, el desplaçament de fase sempre es manté a 360 graus.
Aquest oscil·lador de cristall CMOS proporciona una sortida d’ona quadrada. La freqüència màxima de sortida es fixa mitjançant la característica de commutació de l’inversor CMOS. La freqüència de sortida es pot canviar mitjançant el valor dels condensadors i el valor de la resistència. C1 i C2 han de ser els mateixos en valors.
Proporcionar rellotge al microprocessador mitjançant cristalls
Com que l’ús variat de l’oscil·lador de cristall de quars inclou rellotges digitals, temporitzadors, etc., també és una opció adequada per proporcionar un rellotge d’oscil·lació estable entre microprocessadors i CPU.
El microprocessador i la CPU necessiten una entrada de rellotge estable per al seu funcionament. El vidre de quars s’utilitza àmpliament per a aquests propòsits. El cristall de quars proporciona una alta precisió i estabilitat en comparació amb altres oscil·ladors RC o LC o RLC.
En general, la freqüència de rellotge s'utilitza per al microcontrolador o la CPU oscil·la entre KHz i Mhz. Aquesta freqüència de rellotge determina la rapidesa amb què el processador pot processar dades.
Per aconseguir aquesta freqüència, s'utilitza un cristall de sèrie utilitzat amb una xarxa de condensadors de mateix valor a través de l'entrada de l'oscil·lador de la respectiva MCU o CPU.
En aquesta imatge, podem veure que un cristall amb dos condensadors forma una xarxa i es connecta a través de la unitat de microcontrolador o la unitat de processament central mitjançant pin d’entrada OSC1 i OSC2. En general, tots els microcontroladors o processadors consisteixen en aquests dos pins. En alguns casos, hi ha dos tipus de pins OSC disponibles. Un és per a l'oscil·lador primari per generar el rellotge i un altre per a l'oscil·lador secundari que s'utilitza per a altres treballs secundaris on es necessita una freqüència de rellotge secundària. El valor del condensador va des de 10pF fins a 42 pF, qualsevol cosa entre 15pF, 22pF, 33pF s'utilitza àmpliament.