Osciladores a Cristal


Introducción

Las sales de Rochelle tienen la mayor actividad piezoeléctrica. Con una tensión alterna dada, vibran más que el cuarzo o la turmalina.

Mecánicamente, son las más débiles porque se quiebran muy fácilmente. Estas sales se han empleado para hacer micrófonos, agujas fonocaptoras, audífonos y altavoces.

La turmalina muestra actividad piezoeléctrica mínima, pero es la más resistente de las tres. Es también la más cara. Ocasionalmente se usa en frecuencias muy altas. El cuarzo ocupa un lugar intermedio entre la actividad piezoeléctrica de las sales de Rochelle y la dureza de la turmalina. Debido a su coste y su disponibilidad en la naturaleza, se utiliza ampliamente para hacer osciladores de RF y filtros.

El cristal de cuarzo es utilizado como componente de control de la frecuencia de circuitos osciladores convirtiendo las vibraciones mecánicas en voltajes eléctricos a una frecuencia específica.

Esto ocurre debido al efecto "piezoeléctrico". La piezo-electricidad es electricidad en las caras opuestas creada por una presión mecánica. De una manera similar, una tensión aplicada en las caras del cristal origina una distorsión mecánica en su superficie. Una tensión alterna produce vibraciones mecánicas cuya frecuencia natural es muy estable, su amplitud tomará valores extremos para ciertas frecuencias.

La frecuencia depende de la naturaleza y tallado del cristal, La siguiente figura muestra la ubicación de elementos específicos dentro de una piedra de cuarzo.

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De los cortes que se pueden hacer, el corte "AT" es el más popular y es fabricado hasta frecuencias relativamente altas, mostrando una excelente estabilidad de frecuencia frente a las variaciones de la temperatura.

Por las propiedades mecánicas, eléctricas, y químicas, el cuarzo es el material más apropiado para fabricar dispositivos con frecuencia bien controlada. Por ejemplo en dispositivos que funcionan a altas velocidades, en donde una pequeña variación en la frecuencia pudiera provocar un desfasamiento de la información a procesar.

El cristal de cuarzo ha sido utilizado por el humano por más de 100.000 años, El cuarzo está reconocido por su habilidad para producir impulsos eléctricos, Esta electricidad o impulso eléctrico que el cuarzo genera es un recurso muy importante en la tecnología actual. Sonar, computadoras, relojes, aparatos eléctricos, radios y más, utilizan éste increíble recurso de energía del cuarzo, que selecciona y separa una determinada vibración para que pueda ser usada sin la interferencia de otras.

El cristal de cuarzo

Amplifica: El sonido en micrófonos, bocinas y otras formas de audio y video.
Transmite: Todo el espectrum de la luz en lentes ópticos y prismas.
Diagnóstica: Médicamente en microscopios y equipo de ultrasonido.
Enfoca: La energía en la tecnología del rayo láser utilizado para medir la distancia de los planetas, quemar a través de un muro de acero, para efectuar micro cirugías delicadas.
Comunica: Las ondas de frecuencia en todos los rayos y estaciones transmisoras de T.V.
Sincroniza: Con precisión el impulso del tiempo en los relojes a través de sus patrones vibratorios.





Circuito equivalente y frecuencia resonante

Marco teórico: Un oscilador a cristal es básicamente un oscilador de circuito sintonizado que usa un oscilador de cristal piezoeléctrico como circuito tanque resonante.

La analogía con los circuitos RLC se hace inevitable (aunque frente a esta comparación, el cristal piezoeléctrico presenta mayor estabilidad de frecuencia, es decir, un pico de resonancia más estrecho que el que podríamos obtener empleando componentes electrónicos comunes).

Si bien el modelo del circuitos RLC Serie surge a priori como el indicado para describir el fenómeno, algunas consideraciones acerca del montaje experimental dan lugar a otro modelo algo similar, el de un circuito RLC montado en Paralelo con un capacitor. Tal como se muestra a continuación:

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Cuando el cristal no está vibrando, es equivalente a una capacidad Cp por estar compuesto de dos placas de metal separadas por un dieléctrico. Cp, recibe el nombre de capacidad del encapsulado.

La inductancia L1 y la capacitancia Cs representan los equivalentes eléctricos de la masa y el comportamiento del cristal, mientras que la resistencia R es un equivalente eléctrico de la fricción interna de la estructura del cristal. La capacitancia en paralelo Cp representa la capacitancia debida al montaje mecánico del cristal. Debido a que las perdidas del cristal, representadas por R, son pequeñas, el Q (factor de calidad) equivalente del cristal es alto, por lo general de 20,000. Se pueden lograr valores de Q de casi 10^6 usando cristales.

El circuito eléctrico equivalente mostrado anteriormente, puede tener dos frecuencias resonantes. Una condición resonante sucede cuando las reactancias de la rama serie RLC son iguales (y opuestas).

Para esta condición, la impedancia resonante en serie es muy baja (igual a R). La otra condición resonante sucede a una frecuencia mas alta, cuando la reactancia de la rama resonante serie es igual a la reactancia del condensador Cp. Esta es una resonancia paralela o condición antiresonante del cristal. A dicha frecuencia, el cristal proporciona una impedancia muy alta al circuito externo. En la siguiente figura se muestra la impedancia del cristal en función de la frecuencia del cristal. Para usar adecuadamente el cristal, debe estar conectado en un circuito que seleccione la baja impedancia en el modo de operación resonante en serie o alta impedancia en el modo de operación antiresonante.

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Factor de calidad Q, curva de reactancia, frecuencia de resonancia serie y paralelo

Factor de Calidad (Q)

El factor de calidad (Q) es una medida de la eficiencia de la oscilación. La máxima estabilidad obtenible de un cristal depende del valor de "Q". En la figura de la impedancia del cristal, la separación entre las frecuencias serie y paralelo se llama ancho de banda.

Cuanto más pequeño el ancho de banda mayor es el "Q". Cambios en la reactancia del circuito externo tienen menos efecto en un cristal de alto "Q" por lo tanto la frecuencia es en definitiva más estable.

A continuación se muestra la curva de reactancia del circuito equivalente para un cristal de cuarzo.

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La frecuencia de resonancia en serie esta dada por:

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Y la frecuenta de resonancia en paralelo esta dada por:

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Donde C es igual a la combinación en paralelo de Cs con Cp.





Estabilidad, envejecimiento, tolerancia en frecuencia, potencia de trabajo, frecuencia fundamental y de sobretono

Estabilidad del cristal

La frecuencia de un oscilador tiende a cambiar ligeramente con el tiempo. Esta deriva se debe a la temperatura, el envejecimiento y otras causas.

En un oscilador de cristal, la deriva de la frecuencia con el tiempo es muy pequeña, generalmente menor que 1 ppm (parte por millón) o 0,0001 por 100 por día.

Una estabilidad como esta es importante en relojes electrónicos debido a que utilizan osciladores de cristal de cuarzo como dispositivo básico de temporizador.

Al utilizar osciladores de cristal en hornos de temperatura controlada, los osciladores tienen una deriva de frecuencia menor que 1 parte por 10 a la 10 por día. Una estabilidad como ésta es necesaria en estándares de frecuencia y de tiempo. Para tener una idea de tu precisión de 1 parte por 10 a la 10 recordemos que un reloj con esta deriva tardaría 300 años en adelantarse o retrasarse un segundo.

Envejecimiento

El envejecimiento se refiere a los cambios acumulativos en la frecuencia del cristal con el transcurrir del tiempo. Los factores que intervienen son: exceso en la potencia disipada, efectos térmicos, fatiga en los alambres de armado y pérdidas en la elasticidad del cristal.

El diseño de circuitos considerando bajas temperaturas ambientales y mínimas potencias en el cristal reducirán el envejecimiento.

Tolerancia en la frecuencia

La tolerancia en la frecuencia se refiere a la máxima desviación permitida y se expresa en partes por millón (PPM) para una temperatura especificada, usualmente 25° C.

Potencia de trabajo (Drive Level)

Es la potencia disipada por el cristal. Está normalmente especificada en micro o milivatios, siendo un valor típico 100 microvatios.

Frecuencia Fundamental vs. Frecuencia de Sobretono: Esto es de importancia cuando se especifica un cristal. Cuando se incrementa la frecuencia solicitada, el espesor del cuerpo del cristal disminuye y por supuesto existe un límite en el proceso de fabricación.

Alrededor de 30MHz, el espesor de la placa del cristal comienza a ser muy delgada.

Debido a que el corte "AT" resonará a números enteros impares múltiplos de de la frecuencia fundamental, es necesario especificar el orden del sobre tono deseado para cristales de altas frecuencias.





Oscilador discreto de Pierce


Circuitos de oscilador de cristal

Aunque hay muchas configuraciones distintas para los osciladores utilizando cristales, las más comunes son el discreto y el Pierce de circuitos integrados y el medio puente de RLC. Cuando necesite muy buena estabilidad en la frecuencia y circuitos razonablemente sencillos, el Pierce discreto es una buena opción.

Cuando su principal preocupación es el bajo costo y la capacidad de una interfase digital sencilla, será suficiente con un oscilador Pierce utilizando IC. Sin embargo, para la mejor estabilidad de la frecuencia, el medio puente RLC es la mejor opción.

Oscilador discreto de Pierce

El oscilador de cristal discreto de Pierce cuenta con muchas ventajas.

Su frecuencia de operación abarca todo el rango del cristal fundamental completo (desde 1 kHz a aproximadamente 30 MHz) Utiliza circuitos relativamente sencillos que requieren de pocos componentes (la mayoría de las versiones de frecuencia media necesitan solamente un transistor) El diseño del oscilador Pierce desarrolla una alta potencia de la señal de salida mientras que disipan poca potencia en el mismo cristal.

Por último, la estabilidad de frecuencia de corto plazo en el oscilador de cristal Pierce es excelente (esto se debe a que en el circuito de entrada de carga Q es casi tan alta como la Q interna del cristal) La única desventaja del oscilador Pierce es que requiere de un amplificador de alta ganancia (aproximadamente 70) En consecuencia, tiene que utilizarse un solo transistor de alta ganancia o hasta un amplificador de etapas múltiples.

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La figura muestra un circuito para un oscilador discreto de Pierce de 1 MHz. Q1 proporciona toda la ganancia necesaria para que ocurran oscilaciones autosuficientes. R1 y C1 proporcionan un atraso en fase de 65° a la señal de retroalimentación.

La impedancia del cristal es básicamente resistiva con un pequeño componente inductivo.

Esta impedancia combinada con la reactancia de C2 proporciona los 115° adicionales de atraso en fase.

El transistor invierte la señal (cambio de fase de 180°), proporcionándole al circuito los 360° necesarios para el cambio de fase total.

Debido a que la carga del cristal es principalmente no resistiva (en su mayor parte la combinación en serie de C1 y C2), este tipo de oscilador proporciona muy buena estabilidad en frecuencia a corto plazo.

Desdichadamente, C1 y C2 introducen pérdidas sustanciales y, por consecuencia, el transistor tiene que tener una ganancia de voltaje relativamente alta; ésta es una obvia desventaja.





Oscilador Pierce con circuitos integrados


Oscilador Pierce con circuitos integrados

La siguiente figura muestra un oscilador de cristal Pierce utilizando circuitos integrados (IC).

Aunque proporciona menos estabilidad de frecuencia, se puede implantar utilizando un diseño digital sencillo de IC y reduce sustancialmente el costo sobre los diseños discretos convencionales.

Para asegurar que empiecen las oscilaciones, se invierte la entrada y salida del amplificador A1 para una operación de clase A. A2 convierte la salida de A1 a una oscilación completa del punto de corte a saturación, reduciendo los tiempos de crecimiento y descarga así como el búfer de la salida de A1.

La resistencia de salida de A1 se combina con el capacitor C1 para proporcionar el atraso de fase necesario de RC. Las versiones de CMOS (semiconductor metálico-óxido complementario) operan hasta aproximadamente 2 MHz, y las versiones de ECL (lógica acoplada al emisor) operan hasta 20 MHz.

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Oscilador de cristal resonante en serie y paralelo

Oscilador de cristal resonante en serie: Un cristal excitado en modo resonancia en serie debe ser conectado a la realimentación del circuito en configuración serie.

En esta configuración su impedancia más baja se produce para Ws, y de esta manera, el factor de realimentación es mayor.

Las figuras presentan dos osciladores con estructura resonante en serie. Como resultado, la frecuencia de oscilación del circuito es estable e insensible a variaciones de los parámetros del circuito.

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Oscilador de cristal resonante en paralelo

Un cristal excitado en modo resonancia en paralelo tiene máxima impedancia a la frecuencia Wp. El cristal de la figura mostrada a continuación en el lado izquierdo actúa como un elemento inductor en un oscilador modificado Colpitts cuya tensión de salida esta acoplada al emisor a través de C1 y C2.

El oscilador controlado por cristal Miller de la figura a continuación a la derecha utiliza un circuito LC sintonizado de salida. La máxima tensión de puerta del JFET se produce a la frecuencia Wp del cristal.

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Osciladores para microcontroladores o microprocesadores y tipo XT

Osciladores para microprocesa- dores o microcontroladores

Todo microprocesador o microcontrolador requiere de un circuito que le indique a que velocidad debe trabajar. Este circuito es conocido como un oscilador de frecuencia.

En el caso del microcontrolador PIC16F84 el pin 15 y el pin 16 son utilizados para introducir la frecuencia de reloj.

Existen microcontroladores que tienen su oscilador internamente y no requieren de pequeños circuitos electrónicos externos. El microcontrolador PIC16F84 requiere de un circuito externo de oscilación o generador de pulsos de reloj. La frecuencia de reloj máxima es de 20 Mhz.

Algunos osciladores son:

Oscilador tipo "XT" (XTal) para frecuencias no mayores de 4 Mhz.:

En la imagen siguiente figura se puede observar la configuración del circuito.

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La condición básica importante para que este oscilador funcione es que los condensadores C1 y C2 deberán ser iguales.

A continuación se detallan algunos valores:

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Frec.de Osc. = Frecuencia de oscilación





Oscilador tipo LP (low power), HS (hight speed), TTL

Oscilador tipo "LP" (Low Power) para frecuencias entre 32 y 200 Khz

Este oscilador es igual que el anterior, con la diferencia de que el PIC trabaja de una manera distinta. Este modo está destinado para trabajar con un cristal de menor frecuencia, que, como consecuencia, hará que el PIC consuma menos corriente.

Oscilador tipo "HS" (High Speed) para frecuencias comprendidas entre 4 y 20 MHz:

Habremos de usar esta configuración cuando usemos cristales mayores de 4 MHz. La conexión es la misma que la de un cristal normal

Oscilador TTL

Este tipo de oscilador está basado en un Cristal que contiene toda la circuitería para generar una onda cuadrada. Este ha de ser conectado como si de un generador de señal externa se tratase. Al incluir toda la circuitería esto lo convierte en la opción más costosa; pero representa la forma más práctica por la cantidad de conexiones y por la precisión en la señal de reloj emitida. En la imagen de la siguiente figura se muestra como debe conectarse al microcontrolador y las características del cristal.

Estos tipos de cristales están diseñados especialmente para tecnologías TTL. La frecuencias disponibles para esta versión de cristal son muy amplias y las mas usuales son 1 - 1.8432 - 2 - 4 - 8 - 10 - 11.059 - 12 - 14.31818 - 16 - 20 - 25 - 32 - 33 - 40 - 50 - 80 y 100 Mhz.

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