Cómo funcionan los osciladores de cristal
El oscilador de cristal de cuarzo es un oscilador de alta precisión y alta estabilidad. Se utiliza ampliamente en diversos circuitos de oscilación, como televisores en color, computadoras, controles remotos, etc., así como en generadores de frecuencia y generadores de frecuencia. En los sistemas de comunicación, los equipos de procesamiento de datos generan señales de reloj y proporcionan señales de referencia para un sistema específico.
El oscilador de cristal de cuarzo es un dispositivo resonante fabricado mediante el efecto piezoeléctrico del cristal de cuarzo (cristal de dióxido de silicio). Su composición básica es aproximadamente: cortar un trozo de cristal de cuarzo en un ángulo de acimut determinado. hoja delgada (denominada oblea, puede ser cuadrada, rectangular o circular, etc.), aplique capas de plata en sus dos superficies correspondientes como electrodos y suelde un cable en cada electrodo al pin acoplado con la carcasa del empaque. Se forma un resonador de cristal de cuarzo, que se denomina cristal de cuarzo o cristal o oscilador de cristal. Sus productos generalmente se envasan en carcasas de metal, pero también pueden envasarse en carcasas de vidrio, cerámica o plástico.
Si se aplica un campo eléctrico a los dos electrodos de un cristal de cuarzo, el chip sufrirá una deformación mecánica. Por el contrario, si se aplica presión mecánica a ambos lados de la oblea, se generará un campo eléctrico en la dirección correspondiente de la oblea. Este fenómeno físico se denomina efecto piezoeléctrico. Si se aplica un voltaje alterno a los dos polos de la oblea, la oblea generará vibración mecánica y, al mismo tiempo, la vibración mecánica de la oblea generará un campo eléctrico alterno. En circunstancias normales, la amplitud de la vibración mecánica de la oblea y la amplitud del campo eléctrico alterno son muy pequeñas. Sin embargo, cuando la frecuencia del voltaje alterno externo es un cierto valor, la amplitud aumenta significativamente, que es mucho mayor. la amplitud en otras frecuencias. Este fenómeno se llama resonancia piezoeléctrica, que es muy similar al fenómeno de resonancia del circuito LC. Su frecuencia de resonancia está relacionada con el método de corte, geometría, tamaño, etc. de la oblea.
Cuando el cristal no vibra, se puede considerar como un condensador plano, llamado capacitancia electrostática C. Su tamaño está relacionado con el tamaño geométrico del chip y el área del electrodo, generalmente alrededor de unos pocos PF a decenas de PF. Cuando el cristal oscila, la inercia de la vibración mecánica puede ser equivalente a la del inductor L. Generalmente, el valor de L es de decenas de mH a cientos de mH. La elasticidad del chip puede ser equivalente a la del condensador C. El valor de C es muy pequeño, generalmente solo 0,0002 ~ 0,1 pF. La pérdida provocada por la fricción cuando la oblea vibra es equivalente a R y su valor es aproximadamente 100 Ω. Dado que la inductancia equivalente del chip es muy grande, C es muy pequeña y R también es pequeña, el factor de calidad Q del bucle es muy grande, hasta 1000 ~ 10000. Además, la frecuencia de resonancia de la oblea en sí está básicamente relacionada únicamente con el método de corte, la forma geométrica y el tamaño de la oblea, y se puede fabricar con precisión. Por lo tanto, un circuito de oscilación compuesto por un resonador de cuarzo puede lograr una estabilidad de alta frecuencia. .
Todas las computadoras tienen un circuito de cronometraje. Aunque la palabra "reloj" se usa generalmente para referirse a estos dispositivos, en realidad no son relojes en el sentido habitual. Puede ser más apropiado llamarlos cronómetros. pequeño. El cronómetro de una computadora suele ser un cristal de cuarzo mecanizado con precisión que oscila dentro de sus límites de tensión a una frecuencia que depende de cómo se corta el cristal y de cuánta tensión está sujeto. Hay dos registros asociados a cada cristal de cuarzo, un contador y un registro de retención. Cada oscilación del cristal de cuarzo disminuye el contador en 1. Cuando el contador disminuye a 0, se genera una interrupción y el contador se recarga con el valor inicial del registro de retención. Este enfoque permite programar un temporizador para generar interrupciones 60 veces por segundo (o con cualquier otra frecuencia deseada). Cada interrupción se llama tic de reloj.
El oscilador de cristal puede ser eléctricamente equivalente a una red de dos terminales en la que un condensador y una resistencia están conectados en paralelo y un condensador está conectado en serie. En ingeniería eléctrica, esta red tiene dos puntos de resonancia. y el inferior se divide según la frecuencia. Las frecuencias son resonancia en serie y las frecuencias más altas son resonancia en paralelo. Debido a las características del propio cristal, la distancia entre las dos frecuencias es bastante cercana. En este rango de frecuencia extremadamente estrecho, el oscilador de cristal es equivalente a un inductor, siempre que se conecten los condensadores adecuados en paralelo a ambos extremos del cristal. oscilador de cristal, formará un circuito resonante paralelo.
Este circuito resonante paralelo se puede agregar a un circuito de retroalimentación negativa para formar un circuito de oscilación de onda sinusoidal. Dado que el rango de frecuencia del oscilador de cristal equivalente a un inductor es muy estrecho, incluso si los parámetros de otros componentes cambian mucho, la frecuencia de este. El oscilador no cambiará. Grandes cambios. El oscilador de cristal tiene un parámetro importante, que es el valor de capacitancia de carga. Seleccionando un capacitor paralelo igual al valor de capacitancia de carga, se puede obtener la frecuencia de resonancia nominal del oscilador de cristal. El circuito general del oscilador de cristal está conectado al oscilador de cristal en ambos extremos de un amplificador inversor (tenga en cuenta que el amplificador no es un inversor), y luego se conectan dos condensadores a ambos extremos del oscilador de cristal y el otro extremo de cada condensador. está conectado a Tierra, el valor de capacitancia de estos dos capacitores en serie debe ser igual a la capacitancia de carga. Tenga en cuenta que los pines de los circuitos integrados generales tienen una capacitancia de entrada equivalente, que no se puede ignorar. La capacitancia de carga de un oscilador de cristal general es 15p o 12,5p. Si considera la capacitancia de entrada equivalente del pin del componente, es una mejor opción usar dos condensadores de 22p para formar el circuito de oscilación del oscilador de cristal.