A estabilidade dos osciladores RC de boa qualidade pode ser esperada em torno de 0,1%, enquanto normalmente podemos supor que a estabilidade dos osciladores LC seja de até 0,01%. Quando um nível muito maior de estabilidade é necessário, temos que usar um circuito oscilador baseado em cristal.
A principal razão pela qual os cristais são tão importantes em circuitos osciladores em comparação com redes LC, é seu alto grau de estabilidade, que garante frequências de oscilação precisas com praticamente nenhuma amplitude de saída alta.
Ressonância LC vs Ressonância Cristal
Ao contrário da ressonância eletromagnética associada a um circuito LC, encontramos uma ressonância eletromecânica do cristal piezoelétrico. A única diferença é que os cristais podem simplesmente ser processados por meio de máquinas para obter resultados de alta precisão em termos de frequências naturais tão próximas quanto 10 partes por milhão (ppm).
Qual material é usado em cristais
Vários materiais cristalinos, dos quais o quartzo é o principal exemplo, possuem as características pelas quais são capazes de gerar um campo elétrico quando expostos a estresse mecânico. Por outro lado, um material quartzo tende a se deformar fisicamente assim que é exposto a um campo elétrico. Este fenômeno é chamado de efeito piezoelétrico. Como resultado, você é capaz de cortar um cristal para fazê-lo oscilar fisicamente em alguma frequência especificada assim que for exposto a um campo elétrico CA.
Apesar do quartzo ser uma das substâncias mais utilizadas, outros materiais, por exemplo, tantalato de lítio, óxido de bismuto-germânio, niobato de lítio e fosfato de alumínio também são aplicados em diversas aplicações.
Além disso, você encontrará elementos cerâmicos como a cerâmica PZT sendo usada para fazer cristais, que envolve soluções sólidas de chumbo, zircônio e titânio. Ainda outra categoria piezoelétrica inclui polímeros como cloreto de polivinila e difluorpolietileno. Para esses materiais, as características piezoelétricas são determinadas pela forma como são processados.
Um filme plástico fino usando o material acima é primeiro aquecido e depois submetido a um poderoso campo elétrico e, posteriormente, resfriado à temperatura ambiente. Esse processo auxilia na polarização da substância, que posteriormente adquire os atributos piezoelétricos.
Modelagem Eletrônica de Cristal
Olhando com uma perspectiva eletrônica, um circuito RLC como mostrado abaixo poderia ser implementado como um modelo para simular o funcionamento do cristal.
O indutor L pode ser comparado à massa da peça de quartzo. O capacitor C compara com a rigidez da peça de quartzo. O resistor R corresponde às perdas de energia que ocorrem devido às distorções físicas que ocorrem no cristal.
O outro capacitor, Co, se comporta como a capacitância entre os eletrodos condutores revestidos nos dois lados do material de quartzo.
Normalmente, L pode ser uma indutância extremamente grande, enquanto C é de valor extremamente baixo. Por exemplo, em um cristal que é cortado apropriadamente para vibrar a 200 kHz, L pode ser 27 H, C pode ser basicamente 0,024 pF, R pode ser 2 kΩ e C0 pode ser 9 pF.
As magnitudes como essas são geralmente usadas ao modelar o comportamento do cristal em simulações de computador. A relação L para C utilizada é extremamente alta, o que podemos obter usando peças eletrônicas genuínas, proporcionando ao cristal um Q (fator de qualidade) extremamente alto.
Um cristal geralmente tem um fator Q de cerca de 100.000, enquanto o Q da maioria das redes LC está apenas na faixa de algumas centenas.
Cristais Operando em Modos de Ressonância em Série e Paralelo
Você pode operar cristais no modo de ressonância em série ou no modo de ressonância paralela. Quando aplicado no modo de ressonância em série, o cristal se comporta como um capacitor e indutância conectados em série. A impedância do cristal pode ser mínima (correspondendo apenas a R).
Quando utilizado no modo de ressonância paralela, que pode ser um pouco maior, o cristal funciona como um indutor e um capacitor ligados em paralelo. Neste modo, a impedância do cristal aumenta para o nível mais alto na frequência de ressonância aplicada.
Os cristais são frequentemente cortados de uma forma que lhes permite operar de forma otimizada tanto nos modos de ressonância em série quanto em paralelo.
O corte do cristal determina como o cristal irá oscilar, a maneira como ele irá vibrar e o tamanho do filme de cristal que será necessário para a implementação. Caso o cristal seja excitado por uma função de vibração longitudinal, a frequência ressonante pode ser calculada aproximadamente usando a seguinte fórmula dada.
fo = 2,7 x 103 / EU
Aqui L denota o parâmetro de tamanho do cristal, onde a unidade estará em metros. A constante numérica na fórmula simboliza a velocidade de fase da vibração do cristal.
Portanto, se a frequência necessária for selecionada para ser 100 kHz, então L deve ser 2,7 cm. Caso seja necessário que fo seja de 10 MHz, L seria de 0,27 mm
Cristal fundamental e frequências harmônicas
Além disso, eles são frequentemente cortados de uma maneira que lhes permite operar no modo fundamental ou em seus modos harmônicos (overtones).
Os harmônicos são os harmônicos ímpares da frequência fundamental do cristal, o que garante que o cristal seja capaz de operar tanto na fundamental quanto em seus harmônicos. Por exemplo, se tivermos um cristal cortado para oscilar em 100 kHz, então ele também deve oscilar em 300 kHz, 500 kHz, 700 kHz e em outros harmônicos maiores.
Limitação de Cristal
Uma das deficiências que podemos encontrar nos cristais é que quando um cristal é cortado para incluir uma grande frequência fundamental, pode acabar ficando extremamente fino em espessura. Devido a isso, pode facilmente tornar-se vulnerável a danos físicos e quebras.
O limite de frequência mais alto para cristais de modo fundamental é de aproximadamente 70 Hz. Cristais feitos para operar em frequências que podem estar na faixa de muitas centenas de MHz são cortados de tal forma que obtêm uma faixa fundamental um pouco mais baixa, mas podem ser controlados no modo harmônico.
Através deste método é possível obter uma frequência oscilante máxima em torno de 500 MHz para o cristal.
Estabilidade Térmica em Cristais
A estabilidade térmica é vital em certas aplicações de osciladores. O coeficiente de temperatura é determinado pela forma como um cristal é cortado. Como exemplo, o popular corte AT fornece cristais com um coeficiente de temperatura de cerca de ±0,002% para uma faixa de temperatura de -55°C a +105°C.
Esta faixa de coeficiente de temperatura é equivalente a cerca de % da maioria dos capacitores.
Para obter uma maior estabilidade, os cristais são frequentemente tratados em um ‘forno’. Neste processo o cristal é cortado de modo a adquirir um coeficiente de temperatura mínimo a uma temperatura que pode ser superior à temperatura ambiente. Aqui, o forno é mantido nesta temperatura especificada acima da temperatura ambiente.
Você pode encontrar desvantagens neste processo devido ao envolvimento de alta potência usada no forno, ao envolvimento de um forno enorme e volumoso e à quantidade de tempo que o forno leva para aquecer.
No entanto, o resultado altamente aprimorado que obtemos é uma estabilidade térmica aprimorada para o cristal, aproximadamente ± 5 partes por dez milhões.
À medida que os canais de comunicação de alta frequência aumentam e as velocidades de clock nos circuitos digitais aumentam, os cristais são gradualmente substituídos por ressonadores cerâmicos. Esses ressonadores cerâmicos geralmente são pequenos discos de cerâmica PZT ou componentes piezoelétricos semelhantes que são eficientes em trabalhar com frequências na faixa de Gigahertz.
Cristais em osciladores
Devido à sua alta estabilidade, os cristais são empregados para substituir ou substituir parcialmente o estágio do circuito ressonante LC na maioria dos circuitos osciladores.
Como exemplo, o modelo controlado por cristal do oscilador Colpitts inclui um cristal e um capacitor em oposição ao indutor L1.
Quando um cristal é instalado no lugar de um indutor, a frequência é definida com muito mais precisão. Neste tipo de circuito oscilador, os cristais são geralmente controlados em modo de ressonância paralela, possuindo a maior impedância possível na frequência ressonante e gerando assim uma frequência de saída com amplitude muito alta.
O oscilador Pierce demonstrado na figura a seguir é um exemplo que exibe um cristal trabalhando no modo de ressonância em série. A realimentação é direcionada por meio do cristal e atinge o nível máximo à medida que o cristal ressoa no modo série, usando impedância mínima.
Observe que este oscilador pode funcionar de forma confiável com a necessidade de um circuito sintonizado, dependendo simplesmente do cristal para decidir sua frequência de oscilação. Os osciladores de cristal não são apenas muito precisos com seu funcionamento, eles também são um dos osciladores mais rápidos, normalmente. Os circuitos digitais atuais exigem relógios extremamente rápidos para operá-los, com frequências que podem chegar a centenas de megahertz.
Dispositivos de ondas acústicas de superfície
Você encontrará alguns dos osciladores mais rápidos que funcionam com dispositivos de ondas acústicas de superfície (SAW). Eles são pequenas tiras de substância piezoelétrica com muitos eletrodos revestidos em suas extremidades, como mostrado abaixo.
Em uma extremidade que pode ser a extremidade de entrada, quando um campo elétrico é aplicado entre os eletrodos, resulta na deformação do exterior da tira. Esta ação produz uma onda vibracional que viaja ao longo da área da superfície da tira. Isso se comporta como uma onda acústica que é capaz de se mover pela faixa com velocidades muito altas, tão rápidas quanto a velocidade do som, que é de aproximadamente 3000 m/s. Após uma fração de segundo, assim que o influxo da onda se estende até a outra extremidade, que pode ser a saída da tira, o campo elétrico envolvido com a onda gera uma diferença de potencial entre os eletrodos ligados.
Como as folgas entre os eletrodos nas duas extremidades determinam qual frequência seria alimentada com mais força no SAW e recuperada na outra extremidade, os SAWs geralmente são aplicados em filtros passa-faixa. O tempo necessário para a onda percorrer a faixa fornece ao filtro as características de uma unidade de linha de atraso.
Quando usado como um elemento de um oscilador, uma linha de atraso SAW pode ser usada exatamente da maneira acima na rede RC de um filtro de deslocamento de fase. O tempo necessário para criar uma mudança de fase de 180° é incrivelmente curto e, portanto, a frequência desse tipo de oscilador é tremendamente alta. Normalmente, eles variam até cerca de 2 GHz. Os osciladores que trabalham com ressonadores dielétricos no circuito de realimentação podem ir além da faixa de 2 GHz. Nesse nível, poderíamos estar efetivamente no espectro de micro-ondas, que possui suas próprias características especializadas.
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