¿Qué Es Circuito De Oscilador De Cristal De Transistores? - Optimización Y Ganancia.

Los osciladores de cristal se utilizan en muchas áreas de la electrónica. El uso de un circuito oscilador de cristal permite construir un oscilador de alto rendimiento y alta estabilidad de forma muy barata y sencilla.

Los osciladores de cristal pueden utilizarse en un gran número de aplicaciones en electrónica y radio. En algunos casos, los osciladores de cristal pueden utilizarse para proporcionar una señal de reloj barata para su uso en un circuito digital o lógico.

En otros casos, un oscilador de cristal puede utilizarse para proporcionar una fuente de señal de RF estable y precisa. Como resultado, los osciladores de cristal son utilizados a menudo por radioaficionados en circuitos de transmisores de radio, donde pueden ser particularmente eficaces.

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    Qué es un cristal

    Como su nombre indica, están hechos de cuarzo, una forma natural de silicio, aunque la mayor parte del que se utiliza para aplicaciones electrónicas se fabrica hoy en día de forma sintética. Los componentes dependen de las extraordinarias propiedades del cuarzo para su funcionamiento.

    Cuando se coloca en un circuito electrónico, un cristal actúa como un circuito sintonizado de muy alta calidad. Además, son muy estables y su frecuencia de resonancia no varía mucho con el tiempo o la temperatura.

    Lee: VCXO, Oscilador De Cristal Controlado Por tensión – Circuito Y Aplicaciones.

    Un cristal depende del efecto piezoeléctrico para funcionar. Este efecto convierte una tensión mecánica en un cristal en una tensión y viceversa. De este modo, el efecto piezoeléctrico convierte los impulsos eléctricos en tensión mecánica, que está sometida a las resonancias mecánicas de muy alto Q del cristal, y ésta, a su vez, está vinculada de nuevo al circuito eléctrico.

    Aunque no es un componente que pueda comprarse en cualquier tienda de electrónica, puede adquirirse en tiendas de componentes de radiofrecuencia o directamente al fabricante. Hay puntos de venta en la mayoría de los países.

    Oscilador de cristal Colpitts

    Hay un gran número de tipos de circuitos que se pueden utilizar para los osciladores de cristal, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Uno de los circuitos más comunes utilizados para los osciladores de cristal es la configuración de Colpitts, como se muestra a continuación.

    El circuito utiliza una red divisora de condensadores compuesta por C1 y C2 para proporcionar la retroalimentación y la salida se toma del emisor como se muestra. También es posible colocar una resistencia o un estrangulador en el circuito de colector y tomar la salida desde allí. En cualquiera de los dos casos es conveniente emplear un buffer después del circuito oscilador de cristal para asegurar que se aplica la mínima carga.

    En esta configuración, el cristal funciona en modo paralelo. Cuando funciona en este modo, el cristal debe tener una capacitancia de carga para operar en su frecuencia correcta. Esta capacidad de carga se especifica con el cristal y suele ser de 20 o 30 pF.

    El circuito del oscilador de cristal será diseñado para presentar esta capacitancia al cristal. La mayor parte de esta capacitancia estará constituida por los dos condensadores C1 y C2, aunque el resto de elementos del circuito aportarán algo de capacitancia.

    ¿Qué Es Circuito De Oscilador De Cristal De Transistores? - Optimización Y Ganancia.

    Típico circuito oscilador de cristal de transistores Colpitts

    El inconveniente de este circuito es que la cadena de resistencias de polarización desvía la combinación en serie de C1 y C2, así como el cristal. Esto significa que se requiere una ganancia y una corriente adicionales en el circuito del oscilador de cristal para superar esto, y también la estabilidad puede verse afectada en cierto grado.

    El otro efecto que tienen las resistencias de polarización es que reducen el Q del cristal. El problema puede superarse hasta cierto punto utilizando un transistor de efecto de campo para el dispositivo activo, pero estos dispositivos no suelen ser tan estables como los bipolares y suelen necesitar una corriente de funcionamiento más alta.

    También es muy común que se coloque un pequeño condensador de ajuste a través del cristal. De este modo, la frecuencia del oscilador de cristal puede ajustarse con precisión a la frecuencia exacta requerida.

    Optimización del valor de los componentes del oscilador de cristal

    Las condiciones del circuito se rigen fundamentalmente por los condensadores C1 y C2 junto con las resistencias de polarización R1 y R2, y la resistencia de emisor R3. Como el circuito depende de la frecuencia, los valores cambiarán según la frecuencia de funcionamiento. A continuación se indican los valores típicos.

    Gama de frecuencias

    MHz

    C1
    pF
    C2
    pF
    R1
    kohms
    R2
    kohms
    R3
    kohms
    1 - 333022033336.8
    3 - 622015033336.8
    6 - 1022015033334.7
    10 - 2015010033332.2

    Estos valores proporcionarán una buena solución para muchas circunstancias. El transistor puede ser un BC109 o un transistor similar de uso general.

    Ganancia del oscilador de cristal y nivel de accionamiento

    Para obtener el mejor rendimiento de un oscilador de cristal, es necesario asegurarse de que el cristal es accionado al nivel correcto. Si el nivel de accionamiento del cristal es demasiado alto, se pueden excitar las resonancias parásitas del cristal.

    También es posible que el oscilador de cristal funcione a una frecuencia incorrecta. Además, si el nivel de accionamiento es demasiado alto, el rendimiento del ruido de fase del oscilador de cristal se degradará.

    Además, el cristal puede dañarse si el nivel de accionamiento es demasiado alto. En particular, los tipos en miniatura son susceptibles de sufrir daños. Aunque no se produzcan daños permanentes.

    El alto nivel de accionamiento dentro del oscilador de cristal aumenta la tasa de envejecimiento y puede causar un cambio de frecuencia. Por lo tanto, es importante asegurarse de que el nivel de accionamiento dentro del circuito del oscilador de cristal es aproximadamente correcto.

    En vista de la necesidad de garantizar las condiciones de funcionamiento correctas para el propio oscilador de cristal, es necesario optimizar el circuito en cuanto a estabilidad, ganancia y nivel de accionamiento. Esto puede conducir a un nivel de salida más bajo, pero esto puede ser superado en las siguientes etapas.

    Resumen

    El circuito del oscilador de cristal de transistores descrito proporciona una buena señal de referencia estable que será satisfactoria para muchas aplicaciones. En algunas circunstancias se necesitarán osciladores muy estables y puede ser necesario utilizar un oscilador de cristal controlado por horno (OCXO) diseñado y fabricado a propósito.

    Estos son considerablemente más caros, pero ofrecen niveles muy altos de rendimiento en términos de estabilidad, precisión de frecuencia y ruido de fase. Si son necesarios, el coste adicional puede estar justificado.

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