Osciladores de cristal
Sempre que um oscilador está em operação contínua, sua frequency stabilityfica afetado. Ocorrem mudanças em sua frequência. Os principais fatores que afetam a frequência de um oscilador são
- Variações da fonte de alimentação
- Mudanças de temperatura
- Mudanças na carga ou resistência de saída
Nos osciladores RC e LC, os valores de resistência, capacitância e indutância variam com a temperatura e, portanto, a frequência é afetada. Para evitar esse problema, os cristais piezoelétricos estão sendo usados em osciladores.
O uso de cristais piezoelétricos em circuitos ressonantes paralelos fornecem estabilidade de alta frequência em osciladores. Esses osciladores são chamados deCrystal Oscillators.
Osciladores de cristal
O princípio dos osciladores de cristal depende do Piezo electric effect. A forma natural de um cristal é hexagonal. Quando um wafer de cristal é perpendicular ao eixo X, é chamado de corte X e quando é cortado ao longo do eixo Y, é chamado de corte Y
O cristal usado no oscilador de cristal exibe uma propriedade chamada propriedade Piezo elétrica. Então, vamos ter uma ideia sobre o efeito piezoelétrico.
Efeito Piezo Elétrico
O cristal exibe a propriedade de que, quando uma tensão mecânica é aplicada em uma das faces do cristal, uma diferença de potencial é desenvolvida nas faces opostas do cristal. Por outro lado, quando uma diferença de potencial é aplicada em uma das faces, uma tensão mecânica é produzida ao longo das outras faces. Isso é conhecido comoPiezo electric effect.
Certos materiais cristalinos como o sal de Rochelle, quartzo e turmalina exibem efeito piezoelétrico e tais materiais são chamados de Piezo electric crystals. O quartzo é o cristal piezoelétrico mais comumente usado porque é barato e facilmente disponível na natureza.
Quando um cristal piezoelétrico é submetido a um potencial alternado adequado, ele vibra mecanicamente. A amplitude das vibrações mecânicas torna-se máxima quando a frequência da voltagem alternada é igual à frequência natural do cristal.
Trabalho de um cristal de quartzo
Para fazer um cristal funcionar em um circuito eletrônico, o cristal é colocado entre duas placas de metal na forma de um capacitor. Quartzé o tipo de cristal mais usado devido à sua disponibilidade e natureza forte, embora seja barato. A tensão CA é aplicada em paralelo ao cristal.
O arranjo do circuito de um cristal de quartzo será como mostrado abaixo -
Se uma tensão CA for aplicada, o cristal começa a vibrar na frequência da tensão aplicada. No entanto, se a frequência da voltagem aplicada for igual à frequência natural do cristal,resonanceocorre e as vibrações do cristal atingem um valor máximo. Essa frequência natural é quase constante.
Circuito equivalente de um cristal
Se tentarmos representar o cristal com um circuito elétrico equivalente, temos que considerar dois casos, ou seja, quando ele vibra e quando não. As figuras abaixo representam o símbolo e o circuito elétrico equivalente de um cristal, respectivamente.
O circuito equivalente acima consiste em um circuito RLC em série em paralelo com uma capacitância C m . Quando o cristal montado na fonte CA não está vibrando, ele é equivalente à capacitância C m . Quando o cristal vibra, ele age como um circuito RLC sintonizado.
Resposta de freqüência
A resposta de frequência de um cristal é mostrada abaixo. O gráfico mostra a reatância (X L ou X C ) versus frequência (f). É evidente que o cristal tem duas frequências ressonantes próximas.
A primeira é a frequência ressonante série (f s ), que ocorre quando a reatância da indutância (L) é igual à reatância da capacitância C. Nesse caso, a impedância do circuito equivalente é igual à resistência R e a frequência de oscilação é dada pela relação,
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
A segunda é a frequência ressonante paralela (f p ), que ocorre quando a reatância do ramo RLC é igual à reatância do capacitor C m . Nesta frequência, o cristal oferece uma impedância muito alta para o circuito externo e a frequência de oscilação é dada pela relação.
$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L.C_T}} $$
Onde
$$ C_T = \ frac {C C_m} {(C + C_m)} $$
O valor de C m é geralmente muito grande quando comparado a C. Portanto, o valor de C T é aproximadamente igual a C e, portanto, a frequência ressonante em série é aproximadamente igual à frequência ressonante paralela (isto é, f s = f p ).
Circuito Oscilador de Cristal
Um circuito oscilador de cristal pode ser construído de várias maneiras, como um oscilador coletor sintonizado controlado por cristal, um oscilador de cristal Colpitts, um oscilador de cristal Clap etc. Mas o transistor pierce crystal oscillatoré o mais comumente usado. Este é o circuito normalmente referido como circuito oscilador de cristal.
O diagrama de circuito a seguir mostra o arranjo de um oscilador de cristal de transistor.
Nesse circuito, o cristal é conectado como um elemento em série no caminho de feedback do coletor à base. Os resistores R 1 , R 2 e R E fornecem um circuito de polarização CC estabilizado por divisor de tensão. O capacitor C E fornece bypass CA do resistor do emissor e a bobina RFC (choke de radiofrequência) fornece polarização CC enquanto desacopla qualquer sinal CA nas linhas de alimentação de afetar o sinal de saída. O capacitor de acoplamento C tem impedância desprezível na freqüência de operação do circuito. Mas bloqueia qualquer CC entre o coletor e a base.
A frequência de oscilação do circuito é definida pela frequência ressonante em série do cristal e seu valor é dado pela relação,
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
Pode-se notar que as mudanças na tensão de alimentação, nos parâmetros do dispositivo do transistor, etc., não têm efeito sobre a frequência de operação do circuito, que é mantida estabilizada pelo cristal.
Vantagens
As vantagens do oscilador de cristal são as seguintes -
- Eles têm uma alta ordem de estabilidade de frequência.
- O fator de qualidade (Q) do cristal é muito alto.
Desvantagens
As desvantagens do oscilador de cristal são as seguintes -
- Eles são frágeis e podem ser usados em circuitos de baixa potência.
- A frequência das oscilações não pode ser alterada de forma apreciável.
Estabilidade de frequência de um oscilador
Espera-se que um Oscilador mantenha sua frequência por um período mais longo sem quaisquer variações, de modo a ter uma saída de onda senoidal mais suave e clara para a operação do circuito. Portanto, o termo estabilidade de frequência realmente importa muito, quando se trata de osciladores, sejam eles senoidais ou não senoidais.
A estabilidade de frequência de um oscilador é definida como a capacidade do oscilador de manter a constante de frequência necessária por um longo intervalo de tempo possível. Vamos tentar discutir os fatores que afetam essa estabilidade de frequência.
Mudança no ponto operacional
Já vimos os parâmetros do transistor e aprendemos o quão importante é um ponto operacional. A estabilidade deste ponto de operação para o transistor sendo usado no circuito para amplificação (BJT ou FET), é de maior consideração.
O funcionamento do dispositivo ativo utilizado é ajustado para estar na porção linear de suas características. Este ponto é alterado devido às variações de temperatura e, portanto, a estabilidade é afetada.
Variação de temperatura
O circuito tanque no circuito oscilador contém vários componentes determinantes de frequência, como resistores, capacitores e indutores. Todos os seus parâmetros dependem da temperatura. Devido à mudança de temperatura, seus valores são afetados. Isso traz a mudança na frequência do circuito do oscilador.
Devido à fonte de alimentação
As variações na potência fornecida também afetarão a frequência. As variações da fonte de alimentação levam às variações em V cc . Isso afetará a frequência das oscilações produzidas.
Para evitar isso, o sistema de alimentação regulada é implementado. Em resumo, isso é chamado de RPS. Os detalhes da fonte de alimentação regulada foram claramente discutidos na seção de fonte de alimentação do tutorial CIRCUITOS ELETRÔNICOS.
Mudança na carga de saída
As variações na resistência de saída ou carga de saída também afetam a frequência do oscilador. Quando uma carga é conectada, a resistência efetiva do circuito do tanque é alterada. Como resultado, o fator Q do circuito sintonizado LC é alterado. Isso resulta em uma mudança na frequência de saída do oscilador.
Mudanças nas capacitâncias entre os elementos
Capacitâncias entre elementos são as capacitâncias que se desenvolvem em materiais de junção PN, como diodos e transistores. Estes são desenvolvidos devido à carga presente neles durante o seu funcionamento.
Os capacitores inter-elemento sofrem alterações devido a várias razões como temperatura, tensão, etc. Este problema pode ser resolvido conectando-se o capacitor de inundação através do capacitor inter-elemento problemático.
Valor de Q
O valor de Q (fator de qualidade) deve ser alto em osciladores. O valor de Q em osciladores sintonizados determina a seletividade. Como este Q é diretamente proporcional à estabilidade de frequência de um circuito sintonizado, o valor de Q deve ser mantido alto.
A estabilidade de frequência pode ser representada matematicamente como,
$$ S_w = d \ theta / dw $$
Onde dθ é a mudança de fase introduzida para uma pequena mudança de freqüência na freqüência nominal f r . O circuito dando o maior valor de (dθ / dw) tem frequência oscilatória mais estável.