- Cristal de cuarzo y su circuito equivalente
- Impedancia de salida de cristal contra frecuencia
- Reactancia cristalina contra frecuencia
- Factor Q para cristal de cuarzo:
- Ejemplo de oscilador de cristal de cuarzo con cálculo
- Oscilador de cristal Colpitts
- Oscilador de cristal perforado
- Oscilador CMOS
- Suministro de reloj al microprocesador usando cristales
En nuestros tutoriales anteriores de Oscilador de cambio de fase RC y Oscilador de puente Wein, tenemos una idea clara de lo que es un oscilador. Un oscilador es una construcción mecánica o electrónica que produce oscilación dependiendo de algunas variables. Un buen oscilador adecuado produce una frecuencia estable.
En el caso de los osciladores RC (resistor-condensador) o RLC (resistor-inductor-condensador), no son una buena opción donde se necesitan oscilaciones estables y precisas. Los cambios de temperatura afectan la carga y la línea de suministro de energía, lo que a su vez afecta la estabilidad del circuito del oscilador. La estabilidad se puede mejorar hasta cierto nivel en el caso de los circuitos RC y RLC, pero aún así la mejora no es suficiente en casos específicos.
En tal situación, se utiliza el cristal de cuarzo. El cuarzo es un mineral compuesto por átomos de silicio y oxígeno. Reacciona cuando una fuente de voltaje se aplica al cristal de cuarzo. Produce una característica, identificada como efecto piezoeléctrico. Cuando se aplica una fuente de voltaje a través de él, cambiará de forma y producirá fuerzas mecánicas, y las fuerzas mecánicas se revertirán y producirán carga eléctrica.
Dado que convierte energía eléctrica en mecánica y mecánica en eléctrica, se denomina transductores. Estos cambios producen una vibración muy estable y, como efecto piezoeléctrico, produce oscilaciones estables.
Cristal de cuarzo y su circuito equivalente
Este es el símbolo de Crystal Oscillator. El cristal de cuarzo está hecho de una fina pieza de oblea de cuarzo ajustada y controlada entre dos superficies metalizadas paralelas. Las superficies metalizadas están hechas para conexiones eléctricas, y el tamaño físico y la densidad del cuarzo también se controlan estrictamente, ya que los cambios de forma y tamaño afectan directamente la frecuencia de oscilación. Una vez que se le da forma y se controla, la frecuencia producida es fija, la frecuencia fundamental no se puede cambiar a otras frecuencias. Esta frecuencia específica para el cristal específico se llama frecuencia característica.
En la imagen superior, el circuito de la izquierda representa el circuito equivalente del cristal de cuarzo, que se muestra en el lado derecho. Como podemos ver, se utilizan 4 componentes pasivos, dos condensadores C1 y C2 y un inductor L1, resistencia R1. C1, L1, R1 está conectado en serie y el C2 está conectado en paralelo.
El circuito en serie que consta de un condensador, una resistencia y un inductor, simboliza el comportamiento controlado y las operaciones estables del cristal y el condensador paralelo, C2 representa la capacitancia en paralelo del circuito o el cristal equivalente.
A la frecuencia de funcionamiento, C1 resuena con la inductancia L1. Esta frecuencia de funcionamiento se denomina frecuencia en serie de cristales (fs). Debido a esta frecuencia en serie, se reconoce un punto de frecuencia secundario con la resonancia en paralelo. L1 y C1 también resuenan con el condensador paralelo C2. El condensador paralelo C2 a menudo se describe como el nombre de C0 y se llama capacitancia de derivación de un cristal de cuarzo.
Impedancia de salida de cristal contra frecuencia
Si aplicamos la fórmula de reactancia a través de dos condensadores, entonces, para el condensador en serie C1, la reactancia capacitiva será: -
X C1 = 1 / 2πfC 1
Dónde, F = Frecuencia y C1 = valor de la capacitancia en serie.
La misma fórmula se aplica también para el condensador paralelo, la reactancia capacitiva del condensador paralelo será: -
X C2 = 1 / 2πfC 2
Si vemos el gráfico de relación entre la impedancia de salida y la frecuencia, veremos los cambios en la impedancia.
En la imagen superior vemos la curva de impedancia del oscilador de cristal y también vemos cómo esta pendiente cambia cuando cambia la frecuencia. Hay dos puntos, uno es un punto de frecuencia resonante en serie y el otro es un punto de frecuencia resonante paralelo.
En el punto de frecuencia resonante en serie, la impedancia se vuelve mínima. El condensador en serie C1 y el inductor en serie L1 crean una resonancia en serie que es igual a la resistencia en serie.
Entonces, en este punto de frecuencia resonante en serie, sucederán las siguientes cosas:
- La impedancia es mínima en comparación con otros tiempos de frecuencia.
- La impedancia es igual a la resistencia en serie.
- Por debajo de este punto, el cristal actúa como una forma capacitiva.
A continuación, la frecuencia cambia y la pendiente aumenta lentamente hasta el punto máximo en la frecuencia de resonancia paralela, en este momento, antes de alcanzar el punto de frecuencia de resonancia en paralelo, el cristal actúa como un inductor en serie.
Después de alcanzar el punto de frecuencia paralelo, la pendiente de impedancia alcanza el valor máximo. El condensador paralelo C2 y el inductor en serie crean un circuito de tanque LC y, por lo tanto, la impedancia de salida se hizo alta.
Así se comporta el cristal como inductor o como condensador en resonancia en serie y en paralelo. Crystal puede operar en ambas frecuencias de resonancia pero no al mismo tiempo. Es necesario sintonizar uno específico para operar.
Reactancia cristalina contra frecuencia
La reactancia en serie del circuito se puede medir usando esta fórmula: -
X S = R2 + (XL 1 - XC 1) 2
Donde, R es el valor de la resistencia
Xl1 es la inductancia en serie del circuito.
Xc1 es la capacitancia en serie del circuito.
La reactancia capacitiva paralela del circuito será: -
X CP = -1 / 2πfCp
La reactancia en paralelo del circuito será: -
Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp
Si vemos el gráfico, se verá así: -
Como podemos ver en el gráfico superior que la reactancia en serie en el punto de resonancia en serie es inversamente proporcional a C1, en el punto de fs a fp el cristal actúa como inductivo porque en este punto, dos capacitancias paralelas se vuelven despreciables.
Por otro lado, el cristal estará en forma capacitiva cuando la frecuencia esté fuera de los puntos fs y fp.
Podemos calcular la frecuencia resonante en serie y la frecuencia resonante paralela usando estas dos fórmulas:
Factor Q para cristal de cuarzo:
Q es la forma abreviada de Calidad. Es un aspecto importante de la resonancia del cristal de cuarzo. Este factor Q determina la estabilidad de frecuencia de Crystal. En general, el factor Q de un cristal tiene un rango de 20 000 a más de 100 000. A veces, el factor Q de un cristal es más de 200.000 también observable.
El factor Q de un cristal se puede calcular usando la siguiente fórmula:
Q = X L / R = 2πfsL 1 / R
Donde, X L es la reactancia del inductor y R es la resistencia.
Ejemplo de oscilador de cristal de cuarzo con cálculo
Calcularemos una frecuencia de resonancia en serie de cristales de cuarzo, una frecuencia de resonancia paralela y el factor de calidad del cristal cuando los siguientes puntos estén disponibles:
R1 = 6.8R
C1 = 0.09970pF
L1 = 3 mH
Y C2 = 30pF
La frecuencia resonante en serie del cristal es -
La frecuencia de resonancia paralela de Crystal, fp es -
Ahora, podemos entender que la frecuencia de resonancia en serie es de 9,20 MHz y la frecuencia de resonancia en paralelo es de 9,23 MHz.
El factor Q de este cristal será-
Oscilador de cristal Colpitts
Circuito de oscilador de cristal construido con transistor bipolar o varios tipos de FET. En la imagen superior, se muestra un oscilador colpitts; el divisor de voltaje capacitivo se usa para retroalimentación. El transistor Q1 tiene una configuración de emisor común. En el circuito superior, R1 y R2 se utilizan para la polarización del transistor y C1 se utiliza como condensador de derivación que protege la base de los ruidos de RF.
En esta configuración, el cristal actuará como una derivación debido a la conexión del colector a tierra . Está en configuración resonante en paralelo. Los condensadores C2 y C3 se utilizan para la retroalimentación. El cristal Q2 está conectado como circuito resonante paralelo.
La amplificación de salida es baja en esta configuración para evitar un exceso de disipación de potencia en el cristal.
Oscilador de cristal perforado
Otra configuración utilizada en el oscilador de cristal de cuarzo, donde el transistor se cambia a un JFET para la amplificación donde el JFET está en impedancias de entrada muy altas cuando el cristal está conectado en Drain to Gate usando un capacitor.
En la imagen superior se muestra un circuito del oscilador de cristal Pierce. El C4 proporciona la retroalimentación necesaria en este circuito oscilador. Esta retroalimentación es una retroalimentación positiva que es un cambio de fase de 180 grados en la frecuencia resonante. R3 controla la retroalimentación y el cristal proporciona la oscilación necesaria.
El oscilador de cristal Pierce necesita un número mínimo de componentes y, debido a esto, es una opción preferible donde el espacio es limitado. El reloj digital, los temporizadores y varios tipos de relojes utilizan un circuito oscilador de cristal perforado. El valor pico a pico de la amplitud de la onda sinusoidal de salida está limitado por el rango de voltaje JFET.
Oscilador CMOS
Se puede crear un oscilador básico que utilice una configuración de cristal resonante en paralelo utilizando un inversor CMOS. El inversor CMOS se puede utilizar para lograr la amplitud requerida. Consiste en invertir el disparador Schmitt como 4049, 40106 o el chip 74HC19 de lógica transistor-transistor (TTL), etc.
En la imagen superior, 74HC19N utilizó el que actuaba como un disparador Schmitt en configuración inversora. El cristal proporcionará la oscilación necesaria en la frecuencia de resonancia en serie. R1 es la resistencia de retroalimentación para el CMOS y proporciona un factor Q alto con capacidades de alta ganancia. El segundo 74HC19N es un amplificador para proporcionar suficiente salida para la carga.
El inversor funciona a una salida de cambio de fase de 180 grados y Q1, C2, C1 proporcionan un cambio de fase adicional de 180 grados. Durante el proceso de oscilación, el cambio de fase siempre permanece en 360 grados.
Este oscilador de cristal CMOS proporciona una salida de onda cuadrada. La frecuencia de salida máxima está fijada por la característica de conmutación del inversor CMOS. La frecuencia de salida se puede cambiar usando el valor de los condensadores y el valor de la resistencia. C1 y C2 deben tener los mismos valores.
Suministro de reloj al microprocesador usando cristales
Dado que los diversos usos del oscilador de cristal de cuarzo incluyen relojes digitales, temporizadores, etc., también es una opción adecuada para proporcionar un reloj de oscilación estable entre microprocesadores y CPU.
El microprocesador y la CPU necesitan una entrada de reloj estable para su funcionamiento. El cristal de cuarzo se usa ampliamente para estos fines. El cristal de cuarzo proporciona alta precisión y estabilidad en comparación con otros osciladores RC, LC o RLC.
En general, la frecuencia de reloj se utiliza para microcontroladores o CPU varía de KHz a Mhz. Esta frecuencia de reloj determina qué tan rápido el procesador puede procesar los datos.
Para lograr esta frecuencia, se utiliza un cristal en serie con dos redes de condensadores del mismo valor a través de la entrada del oscilador de la MCU o CPU respectiva.
En esta imagen, podemos ver que un cristal con dos condensadores forma una red y se conecta a través de la unidad del microcontrolador o la unidad central de procesamiento a través del pin de entrada OSC1 y OSC2. Generalmente, todos los microcontroladores o procesadores constan de estos dos pines. En algunos casos, hay dos tipos de pines OSC disponibles. Uno es para el oscilador primario para generar el reloj y otro para el oscilador secundario que se usa para otros trabajos secundarios donde se necesita una frecuencia de reloj secundaria. El valor del condensador varía de 10pF a 42 pF, cualquier valor intermedio excepto 15pF, 22pF, 33pF se usa ampliamente.