Funciones funcionales del oscilador de cristal

En cuanto al papel específico de los osciladores de cristal en las aplicaciones, las fuentes de reloj de los microcontroladores se pueden dividir en dos categorías: fuentes de reloj basadas en dispositivos resonantes mecánicos, como osciladores de cristal y tanques resonantes cerámicos RC (resistencia, condensador) oscilador. Una es la configuración del oscilador Pierce, adecuada para osciladores de cristal y tanques resonantes cerámicos. El otro es un oscilador RC discreto simple. Los osciladores basados ​​en tanques resonantes de cristal y cerámica generalmente proporcionan una precisión inicial muy alta y coeficientes de temperatura bajos. Los osciladores RC se inician rápidamente y tienen un costo relativamente bajo, pero generalmente tienen poca precisión sobre la temperatura y el voltaje de suministro operativo, variando entre el 5% y el 50% de la frecuencia de salida nominal. Sin embargo, su rendimiento se ve afectado por las condiciones ambientales y la selección de componentes del circuito. Es necesario prestar especial atención a la selección de componentes y al diseño de la placa del circuito oscilador. Cuando se utiliza, el circuito del tanque resonante cerámico y la capacitancia de carga correspondiente deben optimizarse de acuerdo con la serie lógica específica. Los cristales con Q alto no son sensibles a la elección del amplificador, pero son propensos a sufrir derivas de frecuencia (y posiblemente daños) cuando se sobreexcitan. Los factores ambientales que afectan el funcionamiento del oscilador incluyen: interferencia electromagnética (EMI), vibraciones y golpes mecánicos, humedad y temperatura. Estos factores pueden aumentar la variación de la frecuencia de salida, aumentar la inestabilidad y, en algunos casos, provocar que el oscilador se detenga. La mayoría de los problemas anteriores se pueden evitar utilizando un módulo oscilador. Estos módulos tienen un oscilador incorporado, proporcionan una salida de onda cuadrada de baja impedancia y están garantizados para funcionar bajo ciertas condiciones. Los dos tipos más utilizados son los módulos de oscilador de cristal y los osciladores RC integrados (osciladores de silicio). El módulo de oscilador de cristal proporciona la misma precisión que un oscilador de cristal discreto. La precisión de los osciladores de silicio es mayor que la de los osciladores RC discretos y, en la mayoría de los casos, puede proporcionar una precisión comparable a la de los tanques resonantes cerámicos.

También es necesario tener en cuenta el consumo de energía a la hora de seleccionar un oscilador. El consumo de energía de un oscilador discreto está determinado principalmente por la corriente de suministro del amplificador de retroalimentación y el valor de capacitancia dentro del circuito. El consumo de energía del amplificador CMOS es proporcional a la frecuencia de funcionamiento y se puede expresar como el valor de capacitancia de disipación de potencia. Por ejemplo, el valor de capacitancia de disipación de potencia de la puerta del inversor HC04 es 90pF. Cuando se opera con una fuente de alimentación de 4 MHz y 5 V, equivale a una corriente de suministro de 1,8 mA. Junto con la capacitancia de carga del cristal de 20 pF, la corriente de suministro total es de 2,2 mA. Los circuitos de tanque resonante cerámico generalmente tienen una capacitancia de carga mayor y, en consecuencia, requieren más corriente. En comparación, los módulos de oscilador de cristal generalmente requieren una corriente de alimentación de 10 mA ~60 mA. La corriente de suministro de un oscilador de silicio depende de su tipo y función y puede variar desde unos pocos microamperios para dispositivos de baja frecuencia (fijos) hasta unos pocos miliamperios para dispositivos programables. Un oscilador de silicio de baja potencia, como el MAX7375, requiere menos de 2 mA a 4 MHz. La optimización de la fuente de reloj para una aplicación específica requiere una consideración integral de los siguientes factores: precisión, costo, consumo de energía y requisitos ambientales.