¿Cómo se implementa Crystal Oscillator en un circuito digital para generar una frecuencia de reloj? ¿Qué parte del oscilador de cristal hace que la señal del reloj?

Primero, considere qué componente de cristal es realmente: un condensador con un material elegante entre sus placas. Esto debería darle una idea de lo que sucede con la tensión / corriente a través de un componente de cristal.

El material de aislamiento seleccionado para este capacitor de "cristal" exhibe propiedades piezoeléctricas (como otra respuesta ya expandida): se deformará mecánicamente cuando se aplique el campo eléctrico; También puede producir algún campo eléctrico cuando se alivia la deformación elástica. Esta propiedad particular hace que se comporte de manera similar a un inductor. Esta observación nos permite venir con un circuito equivalente de un cristal (un filtro de paso de banda LC bastante simple):

Luego,alateoríadelososciladores:paracrearunaoscilación,engeneral,senecesitaunfiltroyunamplificadordealtaganancia,quesealimentenentresí.Duranteelarranquedeloscilador,elamplificadorproduciráalgoderuidotérmicodeanchodebandaamplio,elfiltropasarásoloatravésdelafrecuenciadeseada,estaamplitudparticularseráamplificadaaúnmásporelamplificadorhastaquetengaunapotenciamuchomayorqueelruido,yelbuclesecerraráproduciendounaseñalsostenidaoscilación.Claramente,elfiltropuedeserdecualquiervariedad,siendoloscristaleslosmásconvenientesyestables(peropuedesustituirfácilmenteelcristalconuncircuitoLC"enrollado" o un diapasón de afinación electromecánico o cualquier otro artilugio de filtrado).

Un poco de actualización sobre las similitudes entre los inductores y los materiales piezoeléctricos

Como se indicó anteriormente, el campo eléctrico aplica una fuerza al material piezoeléctrico. La fuerza existe, porque la materia dentro del cristal piezoeléctrico está dispuesta en forma de diminutos dipolos eléctricos (para un poco de referencia, la molécula "dipolo" más común alrededor es el agua, que adquiere muchas propiedades interesantes debido a esto). / p>

Sin embargo, si solo hubiera fuerzas electrostáticas externas presentes, el cristal piezoeléctrico se derrumbará; evidentemente, se necesita algo de fuerza para contrarrestar la fuerza electrostática y devolver el cristal al estado "normal" cuando se retira (lo que permite su uso). en osciladores). Esta es una llamada "fuerza elástica": fuerza que surge de las interacciones electrodinámicas (cuánticas) entre los electrones y los núcleos de la materia. Esa es la fuerza responsable de evitar que nos caigamos por el piso.

No es sorprendente que existan otros 2 tipos de osciladores que se basan en fuerzas elásticas para proporcionar el "retroceso" contra la fuerza aplicada externamente:

1. Péndulo de resorte mecánico: la fuerza mecánica externa está equilibrada por las fuerzas elásticas en el material del resorte.
2. Inductores: la fuerza de Lorentz que actúa sobre el conductor es compensada (una vez más) por las fuerzas elásticas del cable. Después de todo, si no fuera por las fuerzas elásticas, los electrones simplemente volarán lejos del conductor y no se observará ninguna inductancia.

Este último efecto no es fácilmente observable en la electrónica de señal pequeña (el cobre es un material bastante fuerte y las corrientes son pequeñas), pero se convierte en el factor dominante cuando las corrientes comienzan a escalar en los rangos de 100 A y por encima: los cables saltarían por todo el piso y los solenoides explotarán violentamente cuando la fuerza de Lorentz supere repentinamente las fuerzas elásticas.

Para resumir:

En el oscilador de cristal piezoeléctrico:

Paso 1: el campo externo aplica una fuerza a los nano-sitios dipolares dentro del cristal que afectan a la configuración electrónica dentro de la estructura cristalina, creando una deformación elástica (y por lo tanto una fuerza contraria elástica).

Paso 2: cuando se elimina el campo externo, las fuerzas elásticas restauran la configuración electrónica a su estado "normal". Como la redistribución de carga está involucrada, observamos un voltaje a través de un cristal de una naturaleza, bastante similar al "back emf" de los inductores.

Para comparación, en oscilador basado en inductor:

Paso 1: el campo externo invoca la corriente en el inductor (porque, a diferencia del cristal piezoeléctrico, los electrones en los conductores tienen una movilidad muy alta y no se adhieren a sitios específicos dentro del cristal). Los resultados actuales en la fuerza de Lorentz que deforma la configuración electrónica dentro del material y crean una deformación elástica (y, por lo tanto, una fuerza contraria elástica, como en el caso piezoeléctrico).

Paso 2: cuando se elimina el campo externo, tenemos exactamente la misma situación que tuvimos en el caso piezoeléctrico: la configuración electrónica se restableció a la normalidad, la carga se está redistribuyendo y se creó "back emf". Sin embargo, como estamos tratando con portadores de carga altamente móviles en este caso, se manifestará en forma de corriente, en lugar de un pico de voltaje.

Con la elección correcta de los parámetros, las matemáticas se verán bastante similares en ambos casos.

  

¿Alguien puede explicar qué sucede con el voltaje en un extremo y en el otro extremo del cristal?

Sí, el (los) autor (es) de los artículos relevantes de Wikipedia hicieron un intento de explicar lo que sucede.

^{Undiscopiezoeléctricogeneraunvoltajecuandosedeforma}

  

Unosciladordecristalesuncircuitodeosciladorelectrónicoqueutilizalaresonanciamecánicadeuncristalvibrantedematerialpiezoeléctricoparacrearunaseñaleléctricaconunafrecuenciamuyprecisa.

enlace

  

La piezoelectricidad es la carga eléctrica que se acumula en ciertos materiales sólidos (como los cristales, ciertas cerámicas y la materia biológica como el hueso, el ADN y varias proteínas) en respuesta al estrés mecánico aplicado

...

  

El efecto piezoeléctrico se entiende como la interacción electromecánica lineal entre el estado mecánico y el eléctrico en materiales cristalinos sin simetría de inversión. [4] El efecto piezoeléctrico es un proceso reversible en el que los materiales que exhiben el efecto piezoeléctrico directo (la generación interna de carga eléctrica resultante de una fuerza mecánica aplicada) también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso (la generación interna de una tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado) .

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