Oscilador de cristal de quartzo

Em nossos tutoriais anteriores RC Phase Shift Oscillator e Wein Bridge Oscillator, temos uma boa ideia sobre o que é um Oscillator. Um oscilador é uma construção mecânica ou eletrônica que produz oscilação dependendo de algumas variáveis. Um bom oscilador adequado produz frequência estável.

No caso de osciladores RC (Resistor-Capacitor) ou RLC (Resistor-Indutor-Capacitor), eles não são uma boa escolha onde oscilações estáveis ​​e precisas são necessárias. As mudanças de temperatura afetam a carga e a linha de alimentação que, por sua vez, afeta a estabilidade do circuito do Oscilador. A estabilidade pode ser melhorada até um certo nível no caso de circuito RC e RLC, mas ainda assim a melhoria não é suficiente em casos específicos.

Nessa situação, é utilizado o Cristal de Quartzo. O quartzo é um mineral composto por átomos de silício e oxigênio. Ele reage quando uma fonte de tensão é aplicada ao cristal de quartzo. Produz uma característica, identificada como efeito piezoelétrico. Quando a fonte de voltagem é aplicada a ele, ela muda de forma e produz forças mecânicas, e as forças mecânicas se revertem e produzem carga elétrica.

Por converter energia elétrica em mecânica e mecânica em elétrica, é denominado transdutores. Essas mudanças produzem vibrações muito estáveis ​​e, como um efeito piezoelétrico, produzem oscilações estáveis.

Cristal de quartzo e seu circuito equivalente

Este é o símbolo do Oscilador de Cristal. O cristal de quartzo é feito de um pedaço fino de wafer de quartzo bem ajustado e controlado entre duas superfícies metalizadas paralelas. As superfícies metalizadas são feitas para conexões elétricas, e o tamanho físico do quartzo e a densidade também a espessura é rigidamente controlada, pois as mudanças na forma e no tamanho afetam diretamente a frequência de oscilação. Depois de moldada e controlada, a frequência produzida é fixa, a frequência fundamental não pode ser alterada para outras frequências. Essa frequência específica para o cristal específico é chamada de frequência característica.

Na imagem superior, o circuito esquerdo representa o circuito equivalente do cristal de quartzo, mostrado no lado direito. Como podemos ver, 4 componentes passivos são usados, dois capacitores C1 e C2 e um indutor L1, resistor R1. C1, L1, R1 estão conectados em série e o C2 conectado em paralelo.

O circuito em série que consiste em um capacitor, um resistor e um indutor, simboliza o comportamento controlado e operações estáveis ​​do Cristal e do capacitor paralelo, C2 representa a capacitância paralela do circuito ou do cristal equivalente.

Na frequência operacional, o C1 ressoa com a indutância L1. Essa frequência de operação é conhecida como frequência da série de cristais (fs). Devido a esta frequência em série, um ponto de frequência secundária é reconhecido com a ressonância paralela. L1 e C1 também ressoam com o capacitor paralelo C2. O Capacitor C2 paralelo geralmente é descrito como o nome de C0 e é chamado de Capacitância Shunt de um Cristal de Quartzo.

Impedância de saída de cristal contra frequência

Se aplicarmos a fórmula de reatância entre dois capacitores, então, para o capacitor em série C1, a reatância capacitiva será: -

X _C1 = 1 / 2πfC ₁

Onde, F = frequência e C1 = valor da capacitância em série.

A mesma fórmula se aplica ao capacitor paralelo também, a reatância capacitiva do capacitor paralelo será: -

X _C2 = 1 / 2πfC ₂

Se virmos o gráfico de relacionamento entre a impedância de saída e a frequência, veremos as mudanças na impedância.

Na imagem superior, vemos a curva de impedância do oscilador de cristal e também vemos como essa inclinação muda quando a frequência muda. Existem dois pontos, um é o ponto de frequência ressonante em série e o outro é o ponto de frequência ressonante paralelo.

No ponto de frequência de ressonância em série, a impedância se tornou mínima. O capacitor série C1 e o indutor série L1 criam uma ressonância série que é igual ao resistor série.

Então, neste ponto de frequência ressonante da série, as seguintes coisas acontecerão: -

1. A impedância é mínima em comparação com outros tempos de frequência.
2. A impedância é igual ao resistor em série.
3. Abaixo deste ponto, o cristal atua como uma forma capacitiva.

Em seguida, a frequência é alterada e a inclinação aumenta lentamente até o ponto máximo na frequência ressonante paralela, neste momento, antes de atingir o ponto de frequência ressonante paralelo, o cristal age como um indutor em série.

Depois de atingir o ponto de frequência paralelo, a inclinação da impedância atinge o valor máximo. O capacitor paralelo C2 e o indutor série criam um circuito tanque LC e, portanto, a impedância de saída se torna alta.

É assim que o cristal se comporta como indutor ou como um capacitor em série e ressonância paralela. O cristal pode operar nessas duas frequências de ressonância, mas não ao mesmo tempo. É necessário estar sintonizado em algum ponto específico para operar.

Reatância do Cristal contra a Frequência

A reatância em série do circuito pode ser medida usando esta fórmula: -

X _S = R2 + (XL ₁ - XC ₁) ²

Onde, R é o valor da resistência

Xl1 é a indutância em série do circuito

Xc1 é a capacitância em série do circuito.

A reatância capacitiva paralela do circuito será: -

X _CP = -1 / 2πfCp

A reatância paralela do circuito será: -

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

Se virmos o gráfico, ele ficará assim: -

Como podemos ver no gráfico superior, a reatância em série no ponto de ressonância em série é inversamente proporcional a C1, no ponto de fs a fp o cristal age como indutivo porque, neste ponto, duas capacitâncias paralelas tornam-se desprezíveis.

Por outro lado, o cristal estará na forma capacitiva quando a frequência estiver fora dos pontos fs e fp.

Podemos calcular a frequência ressonante série e a frequência ressonante paralela usando estas duas fórmulas -

Fator Q para cristal de quartzo:

Q é a abreviatura de Qualidade. É um aspecto importante da ressonância do cristal de quartzo. Este fator Q determina a estabilidade de frequência do Crystal. Em geral, o fator Q de um cristal varia de 20.000 a mais de 100.000. Às vezes, o fator Q de um cristal é mais de 200.000 também observável.

O fator Q de um cristal pode ser calculado usando a seguinte fórmula -

Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R

Onde, X _L é a reatância do indutor e R é a resistência.

Exemplo de oscilador de cristal de quartzo com cálculo

Iremos calcular a frequência de ressonância de uma série de cristais de quartzo, a frequência de ressonância paralela e o fator de qualidade do cristal quando os seguintes pontos estiverem disponíveis-

R1 = 6,8R

C1 = 0,09970pF

L1 = 3mH

E C2 = 30pF

A frequência de ressonância em série do cristal é -

A frequência ressonante paralela do cristal, fp é -

Agora, podemos entender que a frequência ressonante série é 9,20 MHz e a frequência ressonante paralela é 9,23 MHz

O fator Q deste cristal será-

Oscilador de Cristal Colpitts

Circuito oscilador de cristal construído com transistor bipolar ou vários tipos de FETs. Na imagem superior, um oscilador colpitts é mostrado; o divisor de tensão capacitivo é usado para feedback. O transistor Q1 está na configuração de emissor comum. No circuito superior, R1 e R2 são usados ​​para a polarização do transistor e C1 é usado como capacitor de desvio que protege a base de ruídos de RF.

Nesta configuração, o cristal atuará como um shunt devido à conexão do coletor ao terra . Está em configuração ressonante paralela. Os capacitores C2 e C3 são usados ​​para feedback. O cristal Q2 é conectado como circuito ressonante paralelo.

A amplificação de saída é baixa nesta configuração para evitar o excesso de dissipação de energia no cristal.

Pierce Crystal Oscillator

Outra configuração usada no oscilador de cristal de quartzo, onde o Transistor é alterado para um JFET para a amplificação onde o JFET está em impedâncias de entrada muito altas quando o cristal é conectado em Drain to Gate usando um capacitor.

Na imagem superior, um circuito Oscilador de Cristal Pierce é mostrado. O C4 fornece o feedback necessário neste circuito oscilador. Este feedback é positivo, que é um deslocamento de fase de 180 graus na frequência de ressonância. R3 controla o feedback e o cristal fornece a oscilação necessária.

O oscilador de cristal de perfuração precisa de contagem mínima de componentes e, por isso, é uma escolha preferível onde o espaço é limitado. Relógio digital, cronômetros e vários tipos de relógios usam circuito oscilador de cristal de perfuração. O valor de pico a pico da amplitude da onda senoidal de saída é limitado pela faixa de tensão JFET.

Oscilador CMOS

Um oscilador básico que usa configuração de cristal ressonante paralelo pode ser feito usando o inversor CMOS. O inversor CMOS pode ser usado para atingir a amplitude necessária. Consiste na inversão do gatilho Schmitt como 4049, 40106 ou chip de lógica Transistor-Transistor (TTL) 74HC19 etc.

Na imagem superior 74HC19N usado que atuando como um gatilho Schmitt na configuração invertida. O cristal fornecerá a oscilação necessária na frequência de ressonância em série. R1 é o resistor de feedback para o CMOS e fornece alto fator Q com recursos de alto ganho. O segundo 74HC19N é impulsionador para fornecer saída suficiente para a carga.

O inversor opera com saída de deslocamento de fase de 180 graus e o Q1, C2, C1 fornecem deslocamento de fase adicional de 180 graus. Durante o processo de oscilação, a mudança de fase sempre permanece 360 ​​graus.

Este oscilador de cristal CMOS fornece saída de onda quadrada. A frequência de saída máxima é fixada pela característica de chaveamento do inversor CMOS. A frequência de saída pode ser alterada usando o valor dos capacitores e o valor do resistor. C1 e C2 precisam ter os mesmos valores.

Fornecendo relógio para microprocessador usando cristais

Como vários usos de oscilador de cristal de quartzo incluem relógios digitais, cronômetros, etc., também é uma escolha adequada para fornecer relógio de oscilação estável em microprocessadores e CPUs.

O microprocessador e a CPU precisam de uma entrada de clock estável para funcionar. O cristal de quartzo é amplamente utilizado para esses fins. O cristal de quartzo oferece alta precisão e estabilidade em comparação com outros osciladores RC ou LC ou RLC.

Em geral, a frequência do clock é usada para microcontrolador ou CPU varia de KHz a Mhz. Essa frequência de clock determina a rapidez com que o processador pode processar dados.

Para atingir essa frequência, um cristal em série usado com dois capacitores de mesmo valor é usado na entrada do oscilador do respectivo MCU ou CPU.

Nesta imagem, podemos ver que um cristal com dois capacitores forma uma rede e conectado através da unidade de microcontrolador ou unidade de processamento central através do pino de entrada OSC1 e OSC2. Geralmente todos os microcontroladores ou processadores consistem nestes dois pinos. Em alguns casos, existem dois tipos de pinos OSC disponíveis. Um é para o oscilador primário para gerar o relógio e outro para o oscilador secundário que é usado para outros trabalhos secundários onde a frequência do relógio secundário é necessária. O valor do capacitor varia de 10pF a 42 pF, qualquer coisa entre 15pF, 22pF, 33pF é amplamente utilizado.