- Cristallo di quarzo e il suo circuito equivalente
- Impedenza di uscita a cristalli rispetto alla frequenza
- Reattanza dei cristalli contro la frequenza
- Fattore Q per il cristallo di quarzo:
- Esempio di oscillatore in cristallo di quarzo con calcolo
- Colpitts Crystal Oscillator
- Pierce Crystal Oscillator
- Oscillatore CMOS
- Fornitura di clock al microprocessore utilizzando cristalli
Nei nostri precedenti tutorial sull'oscillatore a spostamento di fase RC e sull'oscillatore a ponte Wein, abbiamo un'idea chiara di cosa sia un oscillatore. Un oscillatore è una costruzione meccanica o elettronica che produce oscillazioni dipendenti da poche variabili. Un buon oscillatore adeguato produce una frequenza stabile.
In caso di oscillatori RC (resistore-condensatore) o RLC (resistore-induttore-condensatore), non sono una buona scelta dove sono necessarie oscillazioni stabili e precise. Le variazioni di temperatura influenzano il carico e la linea di alimentazione che a sua volta influisce sulla stabilità del circuito dell'oscillatore. La stabilità può essere migliorata fino a un certo livello in caso di circuiti RC e RLC, ma il miglioramento non è ancora sufficiente in casi specifici.
In tale situazione, viene utilizzato il cristallo di quarzo. Il quarzo è un minerale composto da atomi di silicio e ossigeno. Reagisce quando una sorgente di tensione viene applicata al cristallo di quarzo. Produce una caratteristica, identificata come effetto piezoelettrico. Quando la sorgente di tensione viene applicata attraverso di essa, cambierà forma e produrrà forze meccaniche, e le forze meccaniche torneranno indietro e produrranno carica elettrica.
Poiché converte l'energia elettrica in meccanica e meccanica in elettrica, viene indicata come trasduttori. Questi cambiamenti producono vibrazioni molto stabili e, come effetto piezoelettrico, producono oscillazioni stabili.
Cristallo di quarzo e il suo circuito equivalente
Questo è il simbolo di Crystal Oscillator. Il cristallo di quarzo è costituito da un sottile pezzo di wafer di quarzo saldamente fissato e controllato tra due superfici metallizzate parallele. Le superfici metallizzate sono realizzate per i collegamenti elettrici, e la dimensione fisica del quarzo e la densità anche lo spessore sono strettamente controllati poiché i cambiamenti di forma e dimensione influenzano direttamente la frequenza di oscillazione. Una volta modellata e controllata, la frequenza prodotta è fissa, la frequenza fondamentale non può essere modificata in altre frequenze. Questa frequenza specifica per il cristallo specifico è chiamata frequenza caratteristica.
Nell'immagine in alto, il circuito a sinistra rappresenta il circuito equivalente del cristallo di quarzo, mostrato nella parte destra. Come possiamo vedere, vengono utilizzati 4 componenti passivi, due condensatori C1 e C2 e un induttore L1, resistore R1. C1, L1, R1 è collegato in serie e C2 è collegato in parallelo.
Il circuito in serie che consiste in un condensatore, un resistore e un induttore, simboleggia il comportamento controllato e le operazioni stabili del Cristallo e del condensatore in parallelo, C2 rappresenta la capacità in parallelo del circuito o del cristallo equivalente.
Alla frequenza operativa il C1 risuona con l'induttanza L1. Questa frequenza operativa viene definita frequenza della serie dei cristalli (fs). A causa di questa frequenza in serie un punto di frequenza secondario riconosciuto con la risonanza parallela. Anche L1 e C1 risuonano con il condensatore parallelo C2. Il condensatore parallelo C2 viene spesso descritto come il nome di C0 e chiamato capacità di shunt di un cristallo di quarzo.
Impedenza di uscita a cristalli rispetto alla frequenza
Se applichiamo la formula della reattanza su due condensatori, allora, per il condensatore in serie C1, la reattanza capacitiva sarà: -
X C1 = 1 / 2πfC 1
Dove, F = Frequenza e C1 = valore della capacità in serie.
La stessa formula vale anche per il condensatore in parallelo, la reattanza capacitiva del condensatore in parallelo sarà: -
X C2 = 1 / 2πfC 2
Se vediamo il grafico della relazione tra l' impedenza di uscita e la frequenza, vedremo le variazioni di impedenza.
Nell'immagine in alto vediamo la curva di impedenza dell'oscillatore a cristallo e vediamo anche come cambia questa pendenza al variare della frequenza. Ci sono due punti uno è il punto di frequenza di risonanza in serie e l'altro è il punto di frequenza di risonanza parallela.
Al punto della frequenza di risonanza in serie l'impedenza è diventata minima. Il condensatore in serie C1 e l'induttore in serie L1 creano una risonanza in serie uguale al resistore in serie.
Quindi, a questo punto di frequenza di risonanza della serie, accadranno le seguenti cose: -
- L'impedenza è minima rispetto ad altri tempi di frequenza.
- L'impedenza è uguale alla resistenza in serie.
- Sotto questo punto il cristallo agisce come una forma capacitiva.
Successivamente la frequenza viene cambiata e la pendenza aumenta lentamente fino al punto massimo alla frequenza di risonanza parallela, in questo momento, prima di raggiungere il punto di frequenza di risonanza parallela, il cristallo agisce come un induttore in serie.
Dopo aver raggiunto il punto di frequenza parallela, la pendenza dell'impedenza raggiunge il valore massimo. Il condensatore parallelo C2 e l'induttore in serie creano un circuito del serbatoio LC e quindi l'impedenza di uscita diventa alta.
Ecco come il cristallo si comporta come induttore o come un condensatore in risonanza in serie e in parallelo. Il cristallo può operare in entrambe le frequenze di risonanza ma non contemporaneamente. È necessario sintonizzarsi su uno specifico per funzionare.
Reattanza dei cristalli contro la frequenza
La serie Reattanza del circuito può essere misurata utilizzando questa formula: -
X S = R2 + (XL 1 - XC 1) 2
Dove, R è il valore della resistenza
Xl1 è l'induttanza in serie del circuito
Xc1 è la capacità in serie del circuito.
La reattanza capacitiva parallela del circuito sarà: -
X CP = -1 / 2πfCp
La reattanza parallela del circuito sarà: -
Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp
Se vediamo il grafico apparirà così: -
Come possiamo vedere nel grafico in alto che la reattanza in serie nel punto di risonanza in serie è inversamente proporzionale a C1, nel punto da fs a fp il cristallo agisce come induttivo perché a questo punto due capacità parallele diventano trascurabili.
D'altra parte, il cristallo sarà in forma capacitiva quando la frequenza è al di fuori dei punti fs e fp.
Possiamo calcolare la frequenza di risonanza in serie e la frequenza di risonanza parallela usando queste due formule:
Fattore Q per il cristallo di quarzo:
Q è la forma abbreviata di qualità. È un aspetto importante della risonanza dei cristalli di quarzo. Questo fattore Q determina la stabilità della frequenza di Crystal. In generale, il fattore Q di un cristallo ha un intervallo da 20.000 a più di 100.000. A volte, il fattore Q di un cristallo è anche più di 200.000 osservabile.
Il fattore Q di un cristallo può essere calcolato utilizzando la seguente formula:
Q = X L / R = 2πfsL 1 / R
Dove, X L è la reattanza dell'induttore e R è la resistenza.
Esempio di oscillatore in cristallo di quarzo con calcolo
Calcoleremo una frequenza di risonanza in serie di cristalli di quarzo, una frequenza di risonanza parallela e il fattore di qualità del cristallo quando sono disponibili i seguenti punti:
R1 = 6,8R
C1 = 0,09970 pF
L1 = 3 mH
E C2 = 30pF
La frequenza di risonanza in serie del cristallo è -
Frequenza di risonanza parallela di Crystal, fp è -
Ora, possiamo capire che la frequenza di risonanza in serie è 9,20 MHz e la frequenza di risonanza parallela è 9,23 MHz
Il fattore Q di questo cristallo sarà-
Colpitts Crystal Oscillator
Circuito oscillatore a cristallo costruito utilizzando transistor bipolare o vari tipi di FET. Nell'immagine in alto, è mostrato un oscillatore colpitts; il partitore di tensione capacitivo viene utilizzato per il feedback. Il transistor Q1 è nella configurazione di emettitore comune. Nel circuito superiore R1 e R2 viene utilizzato per la polarizzazione del transistor e C1 viene utilizzato come condensatore di bypass che protegge la base dai rumori RF.
In questa configurazione, il cristallo agirà come uno shunt a causa del collegamento dal collettore a terra . È in configurazione risonante parallela. I condensatori C2 e C3 vengono utilizzati per il feedback. Il cristallo Q2 è collegato come circuito risonante parallelo.
L'amplificazione di uscita è bassa in questa configurazione per evitare un'eccessiva dissipazione di potenza nel cristallo.
Pierce Crystal Oscillator
Un'altra configurazione utilizzata oscillatore a cristallo di quarzo, in cui il transistore viene modificato in un JFET per l'amplificazione in cui il JFET è impedenze di ingresso molto elevati quando il cristallo è collegato in drain gate utilizzando un condensatore.
Nell'immagine in alto è mostrato un circuito Pierce Crystal Oscillator. Il C4 fornisce il feedback necessario in questo circuito dell'oscillatore. Questo feedback è un feedback positivo che è uno sfasamento di 180 gradi alla frequenza di risonanza. R3 controlla il feedback e il cristallo fornisce l'oscillazione necessaria.
L'oscillatore a cristallo Pierce richiede un numero minimo di componenti e per questo è una scelta preferibile dove lo spazio è limitato. Orologio digitale, timer e vari tipi di orologi utilizzano il circuito dell'oscillatore a cristalli liquidi. Il valore di picco dell'ampiezza dell'onda sinusoidale in uscita è limitato dall'intervallo di tensione JFET.
Oscillatore CMOS
Un oscillatore di base che utilizza una configurazione a cristallo risonante in parallelo può essere realizzato utilizzando un inverter CMOS. L'inverter CMOS può essere utilizzato per ottenere l'ampiezza richiesta. Consiste nell'invertire il trigger di Schmitt come 4049, 40106 o il chip TTL (Transistor-Transistor logic) 74HC19 ecc.
Nell'immagine in alto 74HC19N utilizzato che funge da trigger di Schmitt in configurazione invertente. Il cristallo fornirà l'oscillazione necessaria nella frequenza di risonanza in serie. R1 è il resistore di feedback per il CMOS e fornisce un fattore Q elevato con capacità di guadagno elevato. Il secondo 74HC19N è booster per fornire una potenza sufficiente per il carico.
L'inverter funziona a un'uscita di sfasamento di 180 gradi e Q1, C2, C1 forniscono uno sfasamento aggiuntivo di 180 gradi. Durante il processo di oscillazione lo sfasamento rimane sempre di 360 gradi.
Questo oscillatore a cristallo CMOS fornisce un'uscita ad onda quadra. La frequenza di uscita massima è fissata dalla caratteristica di commutazione dell'inverter CMOS. La frequenza di uscita può essere modificata utilizzando il valore Condensatori e il valore Resistenza. C1 e C2 devono essere gli stessi nei valori.
Fornitura di clock al microprocessore utilizzando cristalli
Poiché vari usi dell'oscillatore a cristalli di quarzo includono orologi digitali, timer, ecc., È anche una scelta adatta per fornire un clock di oscillazione stabile su microprocessore e CPU.
Il microprocessore e la CPU richiedono un ingresso di clock stabile per il funzionamento. Il cristallo di quarzo è ampiamente utilizzato per questi scopi. Il cristallo di quarzo offre un'elevata precisione e stabilità rispetto ad altri oscillatori RC o LC o RLC.
In generale la frequenza di clock viene utilizzata per il microcontrollore o la CPU è compresa tra KHz e Mhz. Questa frequenza di clock determina la velocità con cui il processore può elaborare i dati.
Per ottenere questa frequenza, un cristallo in serie utilizzato con due reti di condensatori dello stesso valore viene utilizzato attraverso l'ingresso dell'oscillatore del rispettivo MCU o CPU.
In questa immagine, possiamo vedere che un Crystal con due condensatori forma una rete e collegato all'unità microcontrollore o all'unità di elaborazione centrale tramite il pin di ingresso OSC1 e OSC2. Generalmente tutti i microcontrollori o processori sono costituiti da questi due pin. In alcuni casi sono disponibili due tipi di pin OSC. Uno è per l'oscillatore primario per la generazione dell'orologio e l'altro per l'oscillatore secondario che viene utilizzato per altri lavori secondari in cui è necessaria la frequenza di clock secondaria. L'intervallo di valori del condensatore da 10pF a 42 pF, viene ampiamente utilizzato qualsiasi valore intermedio tranne 15pF, 22pF, 33pF.