¿Por qué se usan los condensadores con el oscilador de cristal?

  

¿Alguien puede explicar por qué se usan los condensadores?

En primer lugar, a continuación se muestra un circuito típico y en ese circuito están marcados los ángulos de fase para lograr un oscilación aproximado: -

• Elinversorproporciona180°
• R1yC1proporcionanaproximadamente10°
• ElcristalyC2proporcionan170°más

Sinotuvieracondensadores,noobtendríauncambiodefasede360gradosyesosignificaquenooscilaría.Siusaunaherramientadesimulaciónymodelaelcristal,veráalgocomoesto(acontinuación).EsteeselcambiodefaseagregadocombinadoprovocadoporelcambiodelosvaloresdeC1yC2:-

Lalíneahorizontalazulmarcaelcambiodefase"agregado" de exactamente 180 °, este sería el punto de oscilación. Cualquier cosa por debajo de 10 pF probablemente no oscilaría, por lo que necesita los condensadores para hacer que el cambio de fase general alrededor del bucle sume 360 °.

  

¿Y por qué esos 22pF?

Bueno, hay osciladores que necesitarán más y algunos que necesitarán menos. La hoja de datos XTAL normalmente indica qué valor se requiere.

  

¿Cómo se calcularon?

Debe observar las recomendaciones en la hoja de datos y también considerar el efecto agregado de la capacitancia de entrada de la compuerta.

Relacionados conteste y también Diseñando un oscilador .

La conclusión es que un oscilador solo oscilará si el cambio de fase es de 360 ° (o 0 °) y hay suficiente ganancia (mayor que 1) alrededor del bucle.

Respuesta simple : para que el circuito oscile, debemos establecer una retroalimentación positiva (desplazamiento de fase de 360 grados dentro del bucle completo, incluido el cambio de fase de 180 grados del inversor).

Eso significa: Necesitamos una red de retroalimentación que proporcione otro desplazamiento de fase de 180 grados a la frecuencia de oscilación deseada. Para este propósito podemos usar un paso bajo pasivo de tercer orden o un paso alto pasivo de tercer orden. Se necesita una red de tercer orden porque un filtro de segundo orden proporciona 180 grados en frecuencias infinitas solamente.

En el circuito mostrado, tenemos red de escalera de tercer orden (R1-C1-L2-C2) que funciona como lowpass . Tenga en cuenta que en esos casos, el cristal funciona como una inductancia L2 de alta calidad y NO como una serie o circuito resonante paralelo. La frecuencia deseada (donde el cristal actúa como una inductancia) se encuentra entre estos dos puntos resonantes.

Andy ha proporcionado una buena respuesta. Aquí hay otra perspectiva que mira el poder disipado por el cristal ...
A partir de los gráficos de Andy, no es probable que el oscilador oscile si los dos condensadores agregados (C1 y C2) tienen valores pequeños. En una simulación, un 74HCU04 10 MHz. el oscilador de cristal no se iniciaría cuando C1 & C2 fueron mucho menos de 5 pf. En este circuito, no se agregó ninguna resistencia en serie al pin de salida HCU04, como en el circuito de ejemplo de Andy: (R1).

Para C1, C2 = 5pf, las oscilaciones eran débiles, y el circuito no sería confiable. La potencia de CA disipada en el cristal R1 (20 ohmios) fue de 1,25 uW, dentro de la especificación de potencia de cristal típica de alrededor de 100 uW. La frecuencia de los cristales sería algo más alta que 10.0 MHz, ya que C1 y amp; C2 está por debajo de las especificaciones de los fabricantes de cristal de 18 pf.

Para valores mayores de C1 y amp; C2, las oscilaciones comienzan más fácilmente y se construyen de manera más robusta para finalmente establecerse con una corriente de cristal más grande (y una potencia más grande):

• C1 & C2 = 5.0pf .... potencia 1.25 uW
• C1 & C2 = 8.0pf .... potencia 6.5 uW
• C1 & C2 = 20 pf .... potencia 77 uW
• C1 & C2 = 47 pf ... potencia 314 uW

Este último caso (C1 & C2 = 47pf) excede la disipación de energía recomendada por el fabricante para el cristal. La frecuencia del oscilador para este caso estaría en el lado bajo de 10 MHz. Condensadores C1 y amp; Por lo general, los C2 se eligen de modo que la frecuencia del oscilador esté muy cerca de la frecuencia objetivo del fabricante del cristal, ya que la frecuencia suele ser de primordial importancia para los circuitos que controla este oscilador.
Muy poca capacitancia aumenta la frecuencia del oscilador, y se arriesga un oscilador débil que se niega a oscilar. Demasiada capacitancia funciona a una frecuencia de oscilador más baja, y se corre el riesgo de dañar el cristal con demasiada energía. Un oscilador tan robusto también puede funcionar potencialmente en resonancias de cristal espúreas distintas de la frecuencia fundamental. En esta simulación simple, solo se incluye la resonancia cristalina fundamental.