Osciladores de cristal
Siempre que un oscilador está en funcionamiento continuo, su frequency stabilityse ve afectado. Se producen cambios en su frecuencia. Los principales factores que afectan la frecuencia de un oscilador son
- Variaciones de la fuente de alimentación
- Cambios de temperatura
- Cambios en la carga o resistencia de salida
En los osciladores RC y LC, los valores de resistencia, capacitancia e inductancia varían con la temperatura y, por lo tanto, la frecuencia se ve afectada. Para evitar este problema, los cristales piezoeléctricos se utilizan en osciladores.
El uso de cristales piezoeléctricos en circuitos resonantes paralelos proporciona estabilidad de alta frecuencia en osciladores. Dichos osciladores se denominanCrystal Oscillators.
Osciladores de cristal
El principio de los osciladores de cristal depende de la Piezo electric effect. La forma natural de un cristal es hexagonal. Cuando una oblea de cristal tiene una curva perpendicular al eje X, se llama corte en X y cuando se corta a lo largo del eje Y, se llama corte en Y.
El cristal utilizado en el oscilador de cristal exhibe una propiedad llamada propiedad piezoeléctrica. Entonces, tengamos una idea sobre el efecto piezoeléctrico.
Efecto piezoeléctrico
El cristal presenta la propiedad de que cuando se aplica una tensión mecánica a una de las caras del cristal, se desarrolla una diferencia de potencial en las caras opuestas del cristal. Por el contrario, cuando se aplica una diferencia de potencial en una de las caras, se produce una tensión mecánica en las otras caras. Esto se conoce comoPiezo electric effect.
Ciertos materiales cristalinos como la sal de Rochelle, el cuarzo y la turmalina exhiben un efecto piezoeléctrico y dichos materiales se denominan Piezo electric crystals. El cuarzo es el cristal piezoeléctrico más utilizado porque es económico y está fácilmente disponible en la naturaleza.
Cuando un cristal piezoeléctrico se somete a un potencial alterno adecuado, vibra mecánicamente. La amplitud de las vibraciones mecánicas se vuelve máxima cuando la frecuencia de la tensión alterna es igual a la frecuencia natural del cristal.
Trabajo de un cristal de cuarzo
Para que un cristal funcione en un circuito electrónico, el cristal se coloca entre dos placas de metal en forma de condensador. Quartzes el tipo de cristal más utilizado debido a su disponibilidad y fuerte naturaleza, además de ser económico. El voltaje de CA se aplica en paralelo al cristal.
La disposición del circuito de un cristal de cuarzo será como se muestra a continuación:
Si se aplica un voltaje de CA, el cristal comienza a vibrar a la frecuencia del voltaje aplicado. Sin embargo, si la frecuencia del voltaje aplicado se iguala a la frecuencia natural del cristal,resonancetiene lugar y las vibraciones del cristal alcanzan un valor máximo. Esta frecuencia natural es casi constante.
Circuito equivalente de un cristal
Si tratamos de representar el cristal con un circuito eléctrico equivalente, tenemos que considerar dos casos, es decir, cuándo vibra y cuándo no. Las figuras siguientes representan el símbolo y el circuito eléctrico equivalente de un cristal, respectivamente.
El circuito equivalente anterior consta de un circuito RLC en serie en paralelo con una capacitancia C m . Cuando el cristal montado a través de la fuente de CA no vibra, es equivalente a la capacitancia C m . Cuando el cristal vibra, actúa como un circuito RLC sintonizado.
Respuesta frecuente
La respuesta de frecuencia de un cristal se muestra a continuación. El gráfico muestra la reactancia (X L o X C ) frente a la frecuencia (f). Es evidente que el cristal tiene dos frecuencias de resonancia muy próximas.
La primera es la frecuencia resonante en serie (f s ), que ocurre cuando la reactancia de la inductancia (L) es igual a la reactancia de la capacitancia C.En ese caso, la impedancia del circuito equivalente es igual a la resistencia R y la frecuencia de oscilación viene dada por la relación,
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
El segundo es la frecuencia resonante en paralelo (f p ), que se produce cuando la reactancia de la rama RLC es igual a la reactancia del condensador C m . A esta frecuencia, el cristal ofrece una impedancia muy alta al circuito externo y la frecuencia de oscilación viene dada por la relación.
$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L.C_T}} $$
Dónde
$$ C_T = \ frac {C C_m} {(C + C_m)} $$
El valor de C m suele ser muy grande en comparación con C. Por lo tanto, el valor de C T es aproximadamente igual a C y, por lo tanto, la frecuencia de resonancia en serie es aproximadamente igual a la frecuencia de resonancia en paralelo (es decir, f s = f p ).
Circuito del oscilador de cristal
Un circuito oscilador de cristal se puede construir de varias formas, como un oscilador colector sintonizado controlado por cristal, un oscilador de cristal Colpitts, un oscilador de cristal Clap, etc. transistor pierce crystal oscillatores el más utilizado. Este es el circuito que normalmente se denomina circuito oscilador de cristal.
El siguiente diagrama de circuito muestra la disposición de un oscilador de cristal perforado por transistor.
En este circuito, el cristal está conectado como un elemento en serie en la ruta de retroalimentación desde el colector a la base. Las resistencias R 1 , R 2 y R E proporcionan un circuito de polarización de CC estabilizado con divisor de voltaje. El condensador C E proporciona una derivación de CA de la resistencia del emisor y la bobina RFC (estrangulador de radiofrecuencia) proporciona polarización de CC mientras que desacopla cualquier señal de CA en las líneas eléctricas para que no afecte la señal de salida. El condensador de acoplamiento C tiene una impedancia insignificante a la frecuencia de funcionamiento del circuito. Pero bloquea cualquier cd entre el colector y la base.
La frecuencia de oscilación del circuito está establecida por la frecuencia resonante en serie del cristal y su valor está dado por la relación,
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
Puede observarse que los cambios en la tensión de alimentación, los parámetros del dispositivo del transistor, etc. no tienen ningún efecto sobre la frecuencia de funcionamiento del circuito, que se mantiene estabilizada por el cristal.
Ventajas
Las ventajas del oscilador de cristal son las siguientes:
- Tienen un alto orden de estabilidad de frecuencia.
- El factor de calidad (Q) del cristal es muy alto.
Desventajas
Las desventajas del oscilador de cristal son las siguientes:
- Son frágiles y se pueden utilizar en circuitos de baja potencia.
- La frecuencia de las oscilaciones no se puede cambiar de forma apreciable.
Estabilidad de frecuencia de un oscilador
Se espera que un oscilador mantenga su frecuencia durante más tiempo sin variaciones, para tener una salida de onda sinusoidal clara más suave para la operación del circuito. Por lo tanto, el término estabilidad de frecuencia realmente importa mucho, cuando se trata de osciladores, ya sean sinusoidales o no sinusoidales.
La estabilidad de frecuencia de un oscilador se define como la capacidad del oscilador para mantener constante la frecuencia requerida durante un intervalo de tiempo lo más largo posible. Intentemos discutir los factores que afectan esta estabilidad de frecuencia.
Cambio en el punto de operación
Ya nos hemos encontrado con los parámetros del transistor y hemos aprendido lo importante que es un punto de operación. La estabilidad de este punto de funcionamiento para el transistor que se utiliza en el circuito de amplificación (BJT o FET) es de mayor consideración.
El funcionamiento del dispositivo activo utilizado se ajusta para estar en la parte lineal de sus características. Este punto se desplaza debido a las variaciones de temperatura y, por lo tanto, la estabilidad se ve afectada.
Variación de temperatura
El circuito del tanque en el circuito del oscilador contiene varios componentes que determinan la frecuencia, como resistencias, condensadores e inductores. Todos sus parámetros dependen de la temperatura. Debido al cambio de temperatura, sus valores se ven afectados. Esto trae el cambio de frecuencia del circuito oscilador.
Debido a la fuente de alimentación
Las variaciones en la potencia suministrada también afectarán la frecuencia. Las variaciones de la fuente de alimentación dan lugar a variaciones en V cc . Esto afectará la frecuencia de las oscilaciones producidas.
Para evitar esto, se implementa el sistema de suministro de energía regulado. En resumen, esto se llama RPS. Los detalles de la fuente de alimentación regulada se discutieron claramente en la sección de suministro de energía del tutorial CIRCUITOS ELECTRÓNICOS.
Cambio en la carga de salida
Las variaciones en la resistencia de salida o la carga de salida también afectan la frecuencia del oscilador. Cuando se conecta una carga, se cambia la resistencia efectiva del circuito del tanque. Como resultado, se cambia el factor Q del circuito sintonizado LC. Esto da como resultado un cambio en la frecuencia de salida del oscilador.
Cambios en las capacitancias entre elementos
Las capacitancias entre elementos son las capacitancias que se desarrollan en materiales de unión PN, como diodos y transistores. Estos se desarrollan debido a la carga presente en ellos durante su funcionamiento.
Los condensadores entre elementos experimentan cambios debido a varias razones como temperatura, voltaje, etc. Este problema se puede resolver conectando el condensador de inundación a través del condensador entre elementos defectuoso.
Valor de Q
El valor de Q (factor de calidad) debe ser alto en osciladores. El valor de Q en osciladores sintonizados determina la selectividad. Como este Q es directamente proporcional a la estabilidad de frecuencia de un circuito sintonizado, el valor de Q debe mantenerse alto.
La estabilidad de frecuencia se puede representar matemáticamente como,
$$ S_w = d \ theta / dw $$
Donde dθ es el desplazamiento de fase introducido para un pequeño cambio de frecuencia en la frecuencia nominal f r . El circuito que da el valor mayor de (dθ / dw) tiene una frecuencia de oscilación más estable.