¿Cómo funciona un Crystal?

Los dispositivos con dos pines no son osciladores, son resonadores (cristales), que se puede usar en un circuito oscilador (como un Pierce oscillato r), y si se usa con el circuito correcto oscilará en (o cerca de) la frecuencia marcada. El circuito del oscilador Pierce, que se muestra a continuación, utiliza dos condensadores (condensadores de carga, C1 / C2), el cristal (X1) y un amplificador (U1).

Los dispositivos con cuatro pines son circuitos completos que incluyen un resonador y un circuito activo que oscila . Requieren energía y producen una salida de onda cuadrada o sinusoidal en (o cerca de) la frecuencia marcada.

También hay (cerámicos) resonadores con tres pines que actúan como cristales con condensadores.

La forma en que funcionan los cristales (y los resonadores cerámicos) es que están hechos de un material piezoeléctrico que produce un voltaje cuando se distorsionan en su forma. Un voltaje aplicado causará una distorsión en la forma. El cristal se convierte en una forma que resonará físicamente (como un diapasón o un platillo) a la frecuencia deseada. Eso significa que el cristal actuará como un filtro: cuando apliques la frecuencia deseada, aparecerá como una alta impedancia una vez que vibre, y para frecuencias un poco diferentes, tendrá más pérdidas. Cuando se coloca en el circuito de realimentación de un amplificador, la oscilación será autosuficiente. Mucho más, y algunas matemáticas, aquí .

Si piensas que un cristal es una campana pequeña, es fácil ver cómo, si lo golpeas con un pequeño martillo, sonará con un tono puro como lo haría una campana grande si golpeas la campana grande. con un martillo pequeño.

Eso es exactamente lo que hace un cristal, pero el truco es que está hecho de material piezoeléctrico que genera electricidad cuando golpeas y cambia de forma cuando lo golpeas con electricidad.

Para hacer que produzca ese tono de campana puro de forma continua, está conectado a través de un amplificador que funciona como si alguien te empujara en un columpio, de modo que cuando llegaste un poco más allá del pico de un columpio, te darían un empujón para asegurarse de que volviste para el siguiente.

La naturaleza piezoeléctrica del cristal hace que cambie de forma cuando la salida del amplificador "lo empuja" con una señal eléctrica, y luego, cuando el amplificador deja de funcionar, el cristal retrocede y genera su propia señal que dice "empujarme". , y lo envía a la entrada del amplificador en el momento justo para que el amplificador genere otro impulso y regenere el ciclo, para siempre.

Entonces, ¿qué hace que el cristal comience a oscilar?

Ruido.

Hay ruido por todas partes, y es como un montón de pequeños martillos que golpean todo todo el tiempo.

Parte de ese ruido golpea el cristal, y cuando se conecta al amplificador y comienza a sonar un poco debido a los golpes de ruido, el amplificador recibe la señal eléctrica del tono de llamada físico del cristal (frecuencia), lo acumula, Y lo devuelve al cristal. Eso hace que el cristal cambie de forma aún más, enviando una señal más grande al amplificador cuando la forma del cristal retrocede, hasta que el sistema está oscilando continuamente y es estable.

Un cristal no oscila por sí solo. No se aplica simplemente potencia y se eliminan las oscilaciones. Piense en un cristal como un filtro de frecuencia muy preciso y agudo. Lo pones en la ruta de retroalimentación de un amplificador de la manera correcta, y hace que el circuito oscile a la frecuencia resonante del cristal. Es el circuito que provoca las oscilaciones. El cristal mata todas las frecuencias, excepto la que está sintonizada, lo que solo permite una ganancia de bucle general suficiente para que el circuito oscile a la frecuencia del cristal.

Los cristales por debajo de su frecuencia de resonancia parecen en su mayoría capacitivos. Por encima de su frecuencia de resonancia, aparecen en su mayoría inductivos. En su frecuencia de resonancia, parecen en su mayoría resistentes.

Vuelva a dibujar el oscilador Pierce tres veces, reemplazando el cristal con uno de esos componentes. Puede ayudarte a comprender cómo funciona.

Los cristales resonantes paralelos en realidad se especifican un poco por debajo de la frecuencia fundamental. Esto hace que el cristal parezca un poco capacitivo a la frecuencia especificada. La capacitancia adicional agrega un poco de cambio de fase adicional para ayudar al arranque y la ejecución del oscilador.

La entrada del amplificador ve una señal más grande cerca de la fundamental del cristal (resistivo, generalmente bajo 100 Ohms ESR). Las señales de baja frecuencia más pequeñas disminuyen o se bloquean, por lo que una señal en la frecuencia fundamental se fortalece (después de amplificarse) y domina.

Empuja a alguien en un columpio. No importa lo duro que intentes, el swing solo se moverá hacia adelante y hacia atrás en una frecuencia fundamental.

Imagina un cristal como la superficie del agua. Ahora envía ondas (ondas) a través de esa superficie. Las ondulaciones mueven la superficie hacia arriba y hacia abajo, doblando efectivamente la superficie. El cristal también se dobla a medida que vibra.

La flexión puede ser causada aplicando un campo eléctrico a un cristal de cuarzo, pero también la flexión misma crea un campo eléctrico opuesto en la red cristalina. En reposo, estas fuerzas están equilibradas y el cristal no tiene carga.

¿Cuál es más fácil de vibrar con tu mano: una regla de 12x1 pulgadas o una lámina de contrachapado de 6x4 pies? ¡Obviamente, la regla más pequeña se puede vibrar más rápido!

Los cristales son los mismos. Sus dimensiones determinan su frecuencia de resonancia; Cristales más pequeños y / o más delgados vibran más rápido. Esto es también lo que limita la frecuencia fundamental de un cristal: los cristales son demasiado pequeños o demasiado delgados para procesar con precisión mediante mecanizado mecánico o grabado químico a frecuencias más altas.

En frecuencias realmente bajas, los cristales se vuelven tan grandes o gruesos que se necesita mucha energía para que se doblen; por lo tanto, se utiliza un diseño de cristal de diapasón de sintonía para cristales de temporización de baja frecuencia de 32.768 kHz.

Los cristales realmente pueden oscilar a más de una frecuencia. Estos son los armónicos de los múltiplos de lo fundamental, pero tienden a ser más débiles que lo fundamental. Es posible diseñar un circuito para hacer que un cristal oscile en un sobretono, generalmente el tercero o el quinto. Por lo general, los cristales de más de 40 MHz están diseñados para un tercer o quinto tono, no el fundamental, ¡así que lea atentamente las especificaciones antes de comprar!