Oscillateur à quartz

Dans nos précédents didacticiels sur l'oscillateur à décalage de phase RC et l'oscillateur Wein Bridge, nous avons une bonne idée de ce qu'est un oscillateur. Un oscillateur est une construction mécanique ou électronique qui produit une oscillation en fonction de quelques variables. Un bon oscillateur approprié produit une fréquence stable.

Dans le cas des oscillateurs RC (résistance-condensateur) ou RLC (résistance-inductance-condensateur), ils ne sont pas un bon choix là où des oscillations stables et précises sont nécessaires. Les changements de température affectent la charge et la ligne d'alimentation, ce qui affecte à son tour la stabilité du circuit de l'oscillateur. La stabilité peut être améliorée à un certain niveau en cas de circuit RC et RLC, mais l'amélioration n'est toujours pas suffisante dans des cas spécifiques.

Dans une telle situation, le cristal de quartz est utilisé. Le quartz est un minéral composé d'atomes de silicium et d'oxygène. Il réagit lorsqu'une source de tension est appliquée au cristal de quartz. Il produit une caractéristique, identifiée comme effet piézoélectrique. Lorsque la source de tension est appliquée à travers elle, elle changera de forme et produira des forces mécaniques, et les forces mécaniques reviendront et produiront une charge électrique.

Comme il convertit l'énergie électrique en mécanique et mécanique en électrique, il est appelé transducteurs. Ces changements produisent des vibrations très stables et, en tant qu'effet piézoélectrique, produisent des oscillations stables.

Cristal de quartz et son circuit équivalent

C'est le symbole de Crystal Oscillator. Le cristal de quartz est constitué d'un mince morceau de plaquette de quartz étroitement ajusté et contrôlé entre deux surfaces métallisées parallèles. Les surfaces métallisées sont faites pour les connexions électriques, et la taille et la densité physiques du quartz ainsi que l'épaisseur sont étroitement contrôlées car les changements de forme et de taille ont un effet direct sur la fréquence d'oscillation. Une fois façonnée et contrôlée, la fréquence produite est fixe, la fréquence fondamentale ne peut pas être changée en d'autres fréquences. Cette fréquence spécifique pour le cristal spécifique est appelée fréquence caractéristique.

Dans l'image supérieure, le circuit de gauche représente le circuit équivalent du cristal de quartz, illustré sur le côté droit. Comme on peut le voir, 4 composants passifs sont utilisés, deux condensateurs C1 et C2 et un inducteur L1, résistance R1. C1, L1, R1 est connecté en série et le C2 connecté en parallèle.

Le circuit série qui se compose d'un condensateur, d'une résistance et d'un inducteur, symbolise le comportement contrôlé et les opérations stables du cristal et du condensateur parallèle, C2 représente la capacité parallèle du circuit ou du cristal équivalent.

A la fréquence de fonctionnement, le C1 résonne avec l'inductance L1. Cette fréquence de fonctionnement est appelée fréquence série des cristaux (fs). En raison de cette fréquence série, un point de fréquence secondaire reconnu avec la résonance parallèle. L1 et C1 résonnent également avec le condensateur parallèle C2. Le condensateur parallèle C2 décrit souvent comme le nom de C0 et est appelé capacité de shunt d'un cristal de quartz.

Impédance de sortie du cristal par rapport à la fréquence

Si nous appliquons la formule de réactance à travers deux condensateurs, alors, pour le condensateur série C1, la réactance capacitive sera: -

X _C1 = 1 / 2πfC ₁

Où, F = fréquence et C1 = valeur de la capacité série.

La même formule s'applique également pour le condensateur parallèle, la réactance capacitive du condensateur parallèle sera: -

X _C2 = 1 / 2πfC ₂

Si nous voyons le graphique de relation entre l' impédance de sortie et la fréquence, nous verrons les changements d'impédance.

Dans l'image supérieure, nous voyons la courbe d'impédance de l'oscillateur à cristal et voyons également que cette pente change lorsque la fréquence change. Il y a deux points, l'un est le point de fréquence de résonance en série et l'autre est le point de fréquence de résonance parallèle.

Au point de fréquence de résonance série, l'impédance est devenue minimale. Le condensateur série C1 et l'inductance série L1 créent une résonance série qui est égale à la résistance série.

Ainsi, à ce point de fréquence de résonance série, les choses suivantes se produiront: -

1. L'impédance est minimale par rapport aux autres temps de fréquence.
2. L'impédance est égale à la résistance série.
3. En dessous de ce point, le cristal agit comme une forme capacitive.

Ensuite, la fréquence change et la pente augmente lentement jusqu'au point maximum à la fréquence de résonance parallèle, à ce moment, avant d'atteindre le point de fréquence de résonance parallèle, le cristal agit comme un inducteur en série.

Après avoir atteint le point de fréquence parallèle, la pente d'impédance atteint sa valeur maximale. Le condensateur parallèle C2 et l'inductance série créent un circuit de réservoir LC et ainsi l'impédance de sortie est devenue élevée.

C'est ainsi que le cristal se comporte comme une inductance ou comme un condensateur en série et en résonance parallèle. Le cristal peut fonctionner dans ces deux fréquences de résonance mais pas en même temps. Il est nécessaire d'être réglé sur n'importe quel point spécifique pour fonctionner.

Réactance du cristal contre la fréquence

La réactance série du circuit peut être mesurée en utilisant cette formule: -

X _S = R2 + (XL ₁ - XC ₁) ²

Où, R est la valeur de la résistance

Xl1 est l'inductance série du circuit

Xc1 est la capacité série du circuit.

La réactance capacitive parallèle du circuit sera: -

X _CP = -1 / 2πfCp

La réactance parallèle du circuit sera: -

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

Si nous voyons le graphique, il ressemblera à ceci: -

Comme nous pouvons le voir sur le graphique supérieur, la réactance série au point de résonance série est inversement proportionnelle à C1, au point de fs à fp le cristal agit comme inductif car à ce stade, deux capacités parallèles deviennent négligeables.

D'autre part, le cristal sera sous forme capacitive lorsque la fréquence est en dehors des points fs et fp.

Nous pouvons calculer la fréquence de résonance série et la fréquence de résonance parallèle en utilisant ces deux formules -

Facteur Q pour le cristal de quartz:

Q est la forme courte de Qualité. C'est un aspect important de la résonance du cristal de quartz. Ce facteur Q détermine la stabilité de fréquence de Crystal. En général, le facteur Q d'un cristal est compris entre 20 000 et plus de 100 000. Parfois, le facteur Q d'un cristal est plus de 200 000 également observable.

Le facteur Q d'un cristal peut être calculé en utilisant la formule suivante -

Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R

Où, X _L est la réactance de l'inductance et R est la résistance.

Exemple d'oscillateur à quartz avec calcul

Nous calculerons la fréquence de résonance d'une série de cristaux de quartz, la fréquence de résonance parallèle et le facteur de qualité du cristal lorsque les points suivants sont disponibles -

R1 = 6,8R

C1 = 0,09970pF

L1 = 3 mH

Et C2 = 30pF

La fréquence de résonance en série du cristal est -

Fréquence de résonance parallèle du cristal, fp est -

Maintenant, nous pouvons comprendre que la fréquence de résonance série est de 9,20 MHz et la fréquence de résonance parallèle est de 9,23 MHz

Le facteur Q de ce cristal sera-

Oscillateur à cristal Colpitts

Circuit oscillateur à cristal construit à l'aide d'un transistor bipolaire ou de divers types de FET. Dans l'image du haut, un oscillateur Colpitts est montré; le diviseur de tension capacitif est utilisé pour la rétroaction. Le transistor Q1 est en configuration d'émetteur commune. Dans le circuit supérieur, R1 et R2 sont utilisés pour la polarisation du transistor et C1 est utilisé comme condensateur de dérivation qui protège la base des bruits RF.

Dans cette configuration, le cristal agira comme un shunt en raison de la connexion du collecteur à la terre . C'est en configuration résonnante parallèle. Les condensateurs C2 et C3 sont utilisés pour la rétroaction. Le cristal Q2 est connecté en tant que circuit résonnant parallèle.

L'amplification de sortie est faible dans cette configuration pour éviter une dissipation de puissance excessive dans le cristal.

Oscillateur à cristal percé

Une autre configuration utilisée dans l'oscillateur à quartz, où le transistor est changé en un JFET pour l'amplification où le JFET est dans des impédances d'entrée très élevées lorsque le cristal est connecté dans Drain to Gate à l'aide d'un condensateur.

Dans l'image supérieure, un circuit d' oscillateur à cristal Pierce est montré. Le C4 fournit la rétroaction nécessaire dans ce circuit oscillateur. Cette rétroaction est une rétroaction positive qui est un déphasage de 180 degrés à la fréquence de résonance. R3 contrôle la rétroaction et le cristal fournit l'oscillation nécessaire.

L'oscillateur à cristal Pierce nécessite un nombre minimum de composants et, pour cette raison, c'est un choix préférable lorsque l'espace est limité. L'horloge numérique, les minuteries et divers types de montres utilisent un circuit d'oscillateur à cristal percé. La valeur crête à crête de l'amplitude de l'onde sinusoïdale de sortie est limitée par la plage de tension JFET.

Oscillateur CMOS

Un oscillateur de base utilisant une configuration à cristal résonnant en parallèle peut être réalisé à l'aide d'un inverseur CMOS. L'onduleur CMOS peut être utilisé pour obtenir l'amplitude requise. Il consiste à inverser le déclencheur de Schmitt comme 4049, 40106 ou la puce 74HC19 de logique à transistor-transistor (TTL), etc.

Dans l'image supérieure, 74HC19N utilisé qui agit comme un déclencheur de Schmitt en configuration inversée. Le cristal fournira l'oscillation nécessaire dans la fréquence de résonance série. R1 est la résistance de rétroaction pour le CMOS et fournit un facteur Q élevé avec des capacités de gain élevées. Le deuxième 74HC19N est un booster pour fournir une puissance suffisante pour la charge.

L'onduleur fonctionne à une sortie de déphasage de 180 degrés et les Q1, C2, C1 fournissent un déphasage supplémentaire de 180 degrés. Pendant le processus d'oscillation, le déphasage reste toujours de 360 ​​degrés.

Cet oscillateur à cristal CMOS fournit une sortie d'onde carrée. La fréquence de sortie maximale est fixée par la caractéristique de commutation du variateur CMOS. La fréquence de sortie peut être modifiée à l'aide de la valeur des condensateurs et de la valeur de la résistance. C1 et C2 doivent être les mêmes en valeurs.

Fournir une horloge au microprocesseur à l'aide de cristaux

Étant donné que diverses utilisations de l'oscillateur à quartz comprennent des montres numériques, des minuteries, etc., c'est également un choix approprié pour fournir une horloge d'oscillation stable sur le microprocesseur et les processeurs.

Le microprocesseur et le processeur nécessitent une entrée d'horloge stable pour fonctionner. Le cristal de quartz est largement utilisé à ces fins. Le cristal de quartz offre une précision et une stabilité élevées par rapport aux autres oscillateurs RC, LC ou RLC.

En général, la fréquence d'horloge utilisée pour le microcontrôleur ou le processeur est comprise entre KHz et Mhz. Cette fréquence d'horloge détermine la vitesse à laquelle le processeur peut traiter les données.

Pour atteindre cette fréquence, un cristal en série utilisé avec deux réseaux de condensateurs de même valeur est utilisé à travers l'entrée d'oscillateur du MCU ou CPU respectif.

Dans cette image, nous pouvons voir qu'un cristal avec deux condensateurs forme un réseau et est connecté à travers l'unité de microcontrôleur ou l'unité centrale de traitement via la broche d'entrée OSC1 et OSC2. Généralement, tous les microcontrôleurs ou processeurs sont constitués de ces deux broches. Dans certains cas, deux types de broches OSC sont disponibles. L'un est pour l'oscillateur primaire pour générer l'horloge et l'autre pour l'oscillateur secondaire qui est utilisé pour d'autres travaux secondaires où une fréquence d'horloge secondaire est nécessaire. La plage de valeurs du condensateur de 10 pF à 42 pF, tout ce qui se trouve entre les deux mais 15 pF, 22 pF, 33 pF est largement utilisé.