Osciladores de cristal funcionan según el principio del efecto piezoeléctrico inverso en el que un voltaje alterno aplicado a través de las superficies de los cristales hace que vibren a su frecuencia natural. Son estas vibraciones las que finalmente se convierten en oscilaciones. Estos osciladores suelen estar hechas de cristal de cuarzo, aunque otras sustancias como la sal de Rochelle y la turmalina exhiben el efecto piezoeléctrico porque el cuarzo es barato, disponible naturalmente y mecánicamente fuerte en comparación con otros.
En los osciladores de cristal, el cristal está adecuadamente cortado y montado entre dos placas metálicas como se muestra en la figura 1a, cuyo equivalente eléctrico se muestra en la figura 1b. En realidad, el cristal se comporta como un circuito RLC en serieformado por los componentes
- Una resistencia de bajo valor RS
- Un inductor de gran valor LS
- Un pequeño condensador CS
que estará en paralelo con el capacitancia de sus electrodos Cp.
Debido a la presencia de Cpel cristal resonará en dos frecuencias diferentes, a saber..,
- Frecuencia de resonancia de la serie, fs que se produce cuando la capacitancia en serie CS resuena con la inductancia en serie LS. En esta etapa, la impedancia del cristal será la menor y por lo tanto la cantidad de retroalimentación será la mayor. La expresión matemática para el mismo se da como
- Frecuencia resonante paralela, fp que se exhibe cuando la reactancia del LSCS es igual a la reactancia de la condensador en paralelo Cp es decir, LS y CS resuenan con Cp. En este instante, la impedancia del cristal será la más alta y por lo tanto la retroalimentación será la menor. Matemáticamente se puede dar como
El comportamiento de la condensador será capacitivo tanto por debajo de fS y por encima de fp. Sin embargo, para las frecuencias que se encuentran entre fS y por encima de fpel comportamiento de los cristales será inductivo. Además, cuando la frecuencia se vuelve igual a la frecuencia resonante paralela fpentonces la interacción entre LS y Cp …formaría un circuito de tanque LC sintonizado en paralelo. Por lo tanto, un cristal puede ser visto como una combinación de circuitos de resonancia sintonizados en serie y en paralelo debido a que uno necesita sintonizar el circuito para cualquiera de estos dos. Además, hay que señalar que fp será más alto que fs y la cercanía entre ambos se decidirá por el corte y las dimensiones del cristal en uso.
Osciladores de cristal puede diseñarse conectando el cristal en el circuito de tal manera que ofrezca una baja impedancia cuando se opera en modo de resonancia en serie (Figura 2a) y una alta impedancia cuando se opera en modo de resonancia antirresonante o en paralelo (Figura 2b).
En los circuitos mostrados, el resistencias R1 y R2 de la divisor de voltaje mientras que la resistencia del emisor RE estabiliza el circuito. Además, CE (Figura 2a) actúa como un condensador de derivación de CA mientras que el condensador de acoplamiento CC (Figura 2a) se utiliza para bloquear la propagación de la señal de CC entre el colector y los terminales de la base. A continuación, los condensadores C1 y C2 forman la red de divisores de tensión capacitiva en el caso de la figura 2b. Además, también hay una bobina de radiofrecuencia (RFC) en los circuitos (tanto en la figura 2a como en la 2b) que ofrece una doble ventaja, ya que proporciona incluso el sesgo de CC, así como libera la salida del circuito de ser afectada por la señal de CA en las líneas de energía.
Al suministrar la energía a la osciladorla amplitud de las oscilaciones en el circuito aumenta hasta que se alcanza un punto en el que las no linealidades en el amplificador reducen la ganancia del bucle a la unidad. A continuación, al llegar al estado estable, el cristal del bucle de retroalimentación influye mucho en la frecuencia del circuito de funcionamiento. Además, aquí, la frecuencia se autoajustará para facilitar que el cristal presente una reactancia al circuito de tal manera que se cumpla el requisito de fase de Barkhausen.
En general, la frecuencia de los osciladores de cristal se fijará para ser la frecuencia fundamental o característica de los cristales que se decidirá por el tamaño físico y la forma del cristal. Sin embargo, si el cristal no es paralelo o de espesor no uniforme, entonces podría resonar a múltiples frecuencias, dando lugar a armónicos. Además, los osciladores de cristal pueden sintonizarse con armónicos pares o impares de la frecuencia fundamental, que se denominan osciladores armónicos y de sobretono, respectivamente. Un ejemplo de ello es el caso en que la frecuencia de resonancia paralela del cristal se reduce o aumenta añadiendo un condensador o un inductor a través del cristal, respectivamente.
El rango de operación típico de los osciladores de cristal es de 40 KHz a 100 MHz, en el que los osciladores de baja frecuencia se diseñan usando OpAmps mientras que los de alta frecuencia se diseñan usando el transistores (BJTs o FETs). La frecuencia de las oscilaciones generadas por el circuito se decide por la frecuencia de resonancia en serie del cristal y no se verá afectada por las variaciones en el suministro voltaje…los parámetros de los transistores, etc. Como resultado, los osciladores de cristal exhiben un alto factor Q con una excelente estabilidad de frecuencia, lo que los hace más adecuados para aplicaciones de alta frecuencia. Sin embargo, hay que tener cuidado de conducir el cristal sólo con una potencia óptima. Esto se debe a que, si se suministra demasiada potencia al cristal, las resonancias parásitas pueden ser excitadas en el cristal, lo que conduce a una frecuencia de resonancia inestable. Además, incluso su forma de onda de salida podría estar distorsionada debido a la degradación en su rendimiento de ruido de fase. Además puede incluso resultar en la destrucción del dispositivo (cristal) debido al sobrecalentamiento.
Osciladores de cristal son de tamaño compacto y de bajo costo, por lo que se utilizan ampliamente en sistemas de guerra electrónica, sistemas de comunicación, sistemas de orientación, microprocesadores, microcontroladores, sistemas de rastreo espacial, instrumentos de medición, dispositivos médicos, computadoras, sistemas digitales, instrumentación, sistemas de bucle bloqueado por fase, módems, Sensores, unidades de disco, sistemas marinos, telecomunicaciones, sistemas de control de motores, relojes, sistemas de posicionamiento global (GPS), sistemas de televisión por cable, cámaras de vídeo, juguetes, videojuegos, sistemas de radio, teléfonos celulares, temporizadores, etc.
