Oscillatori di cristallo
Ogni volta che un oscillatore è in funzionamento continuo, il suo frequency stabilityviene colpito. Si verificano cambiamenti nella sua frequenza. I principali fattori che influenzano la frequenza di un oscillatore sono
- Variazioni di alimentazione
- Cambiamenti di temperatura
- Cambiamenti nel carico o nella resistenza di uscita
Negli oscillatori RC e LC i valori di resistenza, capacità e induttanza variano con la temperatura e quindi la frequenza ne viene influenzata. Per evitare questo problema, i cristalli piezoelettrici vengono utilizzati negli oscillatori.
L'uso di cristalli piezoelettrici in circuiti risonanti paralleli fornisce stabilità ad alta frequenza negli oscillatori. Tali oscillatori sono chiamati comeCrystal Oscillators.
Oscillatori di cristallo
Il principio degli oscillatori a cristallo dipende dal Piezo electric effect. La forma naturale di un cristallo è esagonale. Quando un wafer di cristallo è perpendicolare all'asse X, viene chiamato taglio X e quando viene tagliato lungo l'asse Y, viene chiamato taglio Y.
Il cristallo utilizzato nell'oscillatore a cristallo mostra una proprietà chiamata proprietà elettrica piezoelettrica. Quindi, facciamo un'idea dell'effetto piezoelettrico.
Effetto piezoelettrico
Il cristallo mostra la proprietà che quando una sollecitazione meccanica viene applicata su una delle facce del cristallo, si sviluppa una differenza di potenziale attraverso le facce opposte del cristallo. Al contrario, quando una differenza di potenziale viene applicata su una delle facce, viene prodotta una sollecitazione meccanica lungo le altre facce. Questo è noto comePiezo electric effect.
Alcuni materiali cristallini come il sale di Rochelle, il quarzo e la tormalina mostrano un effetto piezoelettrico e tali materiali sono chiamati come Piezo electric crystals. Il quarzo è il cristallo piezoelettrico più comunemente usato perché è poco costoso e facilmente reperibile in natura.
Quando un cristallo piezoelettrico è sottoposto ad un adeguato potenziale alternato, vibra meccanicamente. L'ampiezza delle vibrazioni meccaniche diventa massima quando la frequenza della tensione alternata è uguale alla frequenza naturale del cristallo.
Lavorazione di un cristallo di quarzo
Per far funzionare un cristallo in un circuito elettronico, il cristallo viene posto tra due piastre metalliche sotto forma di un condensatore. Quartzè il tipo di cristallo più utilizzato a causa della sua disponibilità e natura forte pur essendo poco costoso. La tensione CA viene applicata in parallelo al cristallo.
La disposizione del circuito di un cristallo di quarzo sarà come mostrato di seguito:
Se viene applicata una tensione CA, il cristallo inizia a vibrare alla frequenza della tensione applicata. Tuttavia, se la frequenza della tensione applicata è uguale alla frequenza naturale del cristallo,resonancesi verifica e le vibrazioni del cristallo raggiungono un valore massimo. Questa frequenza naturale è quasi costante.
Circuito equivalente di un cristallo
Se proviamo a rappresentare il cristallo con un circuito elettrico equivalente, dobbiamo considerare due casi, cioè quando vibra e quando no. Le figure seguenti rappresentano rispettivamente il simbolo e il circuito elettrico equivalente di un cristallo.
Il circuito equivalente sopra è costituito da un circuito RLC serie in parallelo con una capacità C m . Quando il cristallo montato sulla sorgente CA non vibra, è equivalente alla capacità C m . Quando il cristallo vibra, si comporta come un circuito RLC sintonizzato.
Risposta in frequenza
La risposta in frequenza di un cristallo è come mostrato di seguito. Il grafico mostra la reattanza (X L o X C ) rispetto alla frequenza (f). È evidente che il cristallo ha due frequenze di risonanza ravvicinate.
La prima è la frequenza di risonanza in serie (f s ), che si verifica quando la reattanza dell'induttanza (L) è uguale alla reattanza della capacità C.In tal caso, l'impedenza del circuito equivalente è uguale alla resistenza R e la frequenza di oscillazione è data dalla relazione,
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
La seconda è la frequenza di risonanza parallela (f p ), che si verifica quando la reattanza del ramo RLC è uguale alla reattanza del condensatore C m . A questa frequenza il cristallo offre un'altissima impedenza al circuito esterno e la frequenza di oscillazione è data dalla relazione.
$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L.C_T}} $$
Dove
$$ C_T = \ frac {C C_m} {(C + C_m)} $$
Il valore di C m è solitamente molto grande rispetto a C. Pertanto, il valore di C T è approssimativamente uguale a C e quindi la frequenza di risonanza in serie è approssimativamente uguale alla frequenza di risonanza parallela (cioè, f s = f p ).
Circuito oscillatore di cristallo
Un circuito oscillatore a cristallo può essere costruito in diversi modi come un oscillatore a collettore sintonizzato controllato da Crystal, un oscillatore a cristallo Colpitts, un oscillatore a cristallo Clap ecc. transistor pierce crystal oscillatorè quello più comunemente usato. Questo è il circuito che viene normalmente indicato come un circuito dell'oscillatore a cristallo.
Il seguente schema circuitale mostra la disposizione di un oscillatore a cristallo di perforazione del transistor.
In questo circuito, il cristallo è collegato come un elemento in serie nel percorso di feedback dal collettore alla base. I resistori R 1 , R 2 e R E forniscono un circuito di polarizzazione cc stabilizzato con partitore di tensione. Il condensatore C E fornisce il bypass CA del resistore dell'emettitore e la bobina RFC (bobina di radiofrequenza) fornisce la polarizzazione CC mentre disaccoppia qualsiasi segnale CA sulle linee di alimentazione dall'influenzare il segnale di uscita. Il condensatore di accoppiamento C ha un'impedenza trascurabile alla frequenza di funzionamento del circuito. Ma blocca qualsiasi cc tra il collettore e la base.
La frequenza di oscillazione del circuito è impostata dalla frequenza di risonanza in serie del cristallo e il suo valore è dato dalla relazione,
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
Si può notare che le variazioni della tensione di alimentazione, dei parametri del dispositivo a transistor ecc. Non hanno alcun effetto sulla frequenza di funzionamento del circuito, che è mantenuta stabilizzata dal cristallo.
Vantaggi
I vantaggi dell'oscillatore a cristallo sono i seguenti:
- Hanno un alto livello di stabilità in frequenza.
- Il fattore di qualità (Q) del cristallo è molto alto.
Svantaggi
Gli svantaggi dell'oscillatore a cristallo sono i seguenti:
- Sono fragili e possono essere utilizzati in circuiti a bassa potenza.
- La frequenza delle oscillazioni non può essere modificata in modo apprezzabile.
Stabilità in frequenza di un oscillatore
Ci si aspetta che un oscillatore mantenga la sua frequenza per una durata più lunga senza alcuna variazione, in modo da avere un'uscita sinusoidale più liscia per il funzionamento del circuito. Quindi il termine stabilità di frequenza conta davvero molto, quando si tratta di oscillatori, sia sinusoidali che non sinusoidali.
La stabilità di frequenza di un oscillatore è definita come la capacità dell'oscillatore di mantenere la frequenza richiesta costante per un intervallo di tempo più lungo possibile. Proviamo a discutere i fattori che influenzano questa stabilità di frequenza.
Modifica del punto di lavoro
Abbiamo già scoperto i parametri del transistor e imparato quanto sia importante un punto di lavoro. La stabilità di questo punto di lavoro per il transistor utilizzato nel circuito di amplificazione (BJT o FET), è di maggiore considerazione.
Il funzionamento del dispositivo attivo utilizzato è regolato per essere nella porzione lineare delle sue caratteristiche. Questo punto viene spostato a causa delle variazioni di temperatura e quindi la stabilità ne risente.
Variazione della temperatura
Il circuito del serbatoio nel circuito dell'oscillatore contiene vari componenti che determinano la frequenza come resistori, condensatori e induttori. Tutti i loro parametri dipendono dalla temperatura. A causa del cambiamento di temperatura, i loro valori vengono influenzati. Questo porta il cambiamento di frequenza del circuito dell'oscillatore.
A causa dell'alimentazione
Le variazioni nella potenza fornita influenzeranno anche la frequenza. Le variazioni di alimentazione portano alle variazioni di V cc . Ciò influenzerà la frequenza delle oscillazioni prodotte.
Per evitare ciò, viene implementato il sistema di alimentazione regolata. Questo è in breve chiamato RPS. I dettagli dell'alimentazione regolata sono stati discussi chiaramente nella sezione relativa all'alimentazione del tutorial CIRCUITI ELETTRONICI.
Variazione del carico in uscita
Le variazioni della resistenza di uscita o del carico di uscita influiscono anche sulla frequenza dell'oscillatore. Quando un carico è collegato, la resistenza effettiva del circuito del serbatoio viene modificata. Di conseguenza, il fattore Q del circuito sintonizzato LC viene modificato. Ciò si traduce in un cambiamento nella frequenza di uscita dell'oscillatore.
Cambiamenti nelle capacità tra gli elementi
Le capacità tra gli elementi sono le capacità che si sviluppano nei materiali di giunzione PN come diodi e transistor. Questi si sviluppano a causa della carica presente in essi durante il loro funzionamento.
I condensatori tra gli elementi subiscono cambiamenti a causa di vari motivi come temperatura, tensione, ecc. Questo problema può essere risolto collegando il condensatore di inondazione attraverso il condensatore inter-elemento offensivo.
Valore di Q
Il valore di Q (fattore di qualità) deve essere alto negli oscillatori. Il valore di Q negli oscillatori accordati determina la selettività. Poiché questo Q è direttamente proporzionale alla stabilità in frequenza di un circuito sintonizzato, il valore di Q dovrebbe essere mantenuto alto.
La stabilità della frequenza può essere rappresentata matematicamente come,
$$ S_w = d \ theta / dw $$
Dove dθ è lo sfasamento introdotto per una piccola variazione di frequenza nella frequenza nominale f r . Il circuito che dà il valore maggiore di (dθ / dw) ha una frequenza oscillatoria più stabile.