Oscilador de cristal

Objetivos:

- Estudio de un oscilador de cristal de BJT

Medida de la frecuencia de oscilación Análisis del comportamiento inductivo del cristal debido a la oscilación del

sistema Frecuencia de oscilación en función de la tensión de alimentación

Nociones teóricas

La frecuencia de oscilación de un oscilador podrá está afectada de acuerdo a ciertos factores como: el desgaste de los componentes, variaciones de las condiciones ambientales e inestabilidad en la tensión de alimentación, desviando el punto de reposo.

Los osciladores de cristal son unos de los más estables en términos de frecuencias elevadas, esto se obtiene mediante cristales de cuarzo piezoeléctricos en la alimentación.

El comportamiento de un cristal de cuarzo se asemeja al de un circuito resonante LC con un factor Q elevado.

En frecuencias de resonancia el intercambio de energía electica y mecánica, sucede con pocas pérdidas, lo que representa un resonador electromecánico de alta calidad.

El diagrama eléctrico equivalente de un cristal de cuarzo está representado de la siguiente manera

Donde Co estará determinado por la capacidad electroestática de las caras del cristal, las capacidades ínfimas debido a los terminales y las cápsulas. R suele tener un valor muy bajo, por lo que se denota que el cristal está formado por componentes reactivos.

Luego analizamos el siguiente gráfico, donde se observan los valores de pulsación donde la impedancia se anula:

Donde:

ωs2= 1

(LC)

ωP2= (1 /L )∗[ 1C + 1

CO ]f s2=ωs/2π Pulsación en serie

f P2=ωP/2π Pulsación en paralelo

Si C es menor que Co, suelen tener valores aproxiadamente iguales.

Analizando, la curva se obtienen que cuando la frecuencia de funciomaniento esta comprendida entre ωs y ωP, el cristal actúa de manera inductiva, y fuera de estos valores opera como un capacitor.

Entre los osciladores de cristal encontramos el oscilador de Pierce, donde a diferencia del colpitts la inductancia ha sido sustituida por el cristal. El funcionamiento del cristal será inductivo y la frecuencia de oscilación esta comprendia entre f s y f P.

Anteriormente se observó el esquema equivalente del oscilador de Pierce. Este a su vez puede moficarse añadiendo un capacitor variable en serie con el cristal, para obtener una regulación de la frecuncia de funcionamiento del oscilador.

Experimentación

Tomando el siguiente circuito y configurandoló de la siguiente manera :

Poniendo 12 Voltios a Vcc. Colocando el puente JCC. Visualizar la señal en el terminal 3, utilizando la punta del osciloscopio con relación

10:1. Medir la frecuencia de dicha salida.

1. ¿Cuál es el valor de la frecuencia de salida?

1Mhz.

Visualizar las salidas en el terminal 3 y la base del transistor T5.

2. ¿Cuál es el valor del desfase de las señales visualizadas?

180°, claramente es observable en la imagen anterior, donde una es la salida del terminal, y la otra es la base del transistor.

Medir la frecuencia de oscilación cuando esta varía ±20% Regular la tensión de alimentación

3. En base al análisis de las ondas y de las tensiones ¿Cuál es la variación que introduce en el oscilador?

Se cortocircuita R19

4. ¿El oscilador de cristal a menudo se utiliza cuando se requiere?

Cuando se requiere gran estabilidad de frecuencia, su característica de cristal piezoeléctrico en la red de realimentación le confiere esta cualidad. El efecto piezoeléctrico establece que al someterse tensiones mecánicas se genera una diferencia de potencial, siendo lo cristales los que presentan este efecto de manera natural.

Si se encuentra un cristal de cuarzo, entonces el oscilador generará una tensión alterna cuya frecuencia vendrá determinada por las características mecánicas del cristal utilizado y tendrá la característica de que su frecuencia será sumamente estable y precisa. De ahí su empleo en equipos de telecomunicaciones. Presentan factor de

calidad muy elevado de hasta miles, por lo que se denota la agudeza de u resonancia, y su cualidad de mantener la frecuencia.

5. ¿La condición de funcionamiento para que un circuito de Pierce oscile es que el cristal tenga un comportamiento?

Inductivo, como se denotó en la base teórica su funcionamiento es similar al de Colpitts, solo que en donde se encontraba la inductancia se hallará ahora el cristal, pero para efectos de experimentación se establece que tiene un efecto inductivo y su frecuencia se encuentra entre fs y fp.

6. ¿Cuál podría ser a frecuencia f de un oscilador de Pierce que utiliza un cristal caracterizado por f s= 2Mhz. y f p=¿2.01MHz?

f s< f <f p=2Mhz< f <2.01Mhz

Como se muestra en la siguiente gráfica, y siguiendo con lo expresado anteriormente el comportamiento del cristal será inductivo, y trabajará en las frecuencias entre f s y f p.

7. ¿La frecuencia de oscilación del circuito de Pierce está determinada por?

El cristal, gracias al efecto piezoeléctrico, como ya se ha indicado, la frecuencia de oscilación viene determinada por el grueso de la lámina de cuarzo y la dirección en que se dio el corte del cristal original para obtener la lámina. El cristal es capaz de lograr el efecto de resonancia igualando la frecuencia de la tensión aplicada a la suya.

La frecuencia es afectada a su vez por la temperatura del cristal, por lo que para las aplicaciones de alta estabilidad se le brinda cierta protección térmica.