Como um Crystal funciona?

Especificamente, um oscilador de cristal de quartzo de 2 e 4 pinos.

O que eu sei: a corrente é aplicada e o cristal oscila para fornecer um sinal oscilante.

O que eu quero saber: Como a vibração causa uma corrente oscilante? Qual a diferença entre os cristais de 2/4 pinos? Por fim, por que um 4 pinos pode funcionar sozinho e um 2 pinos precisa de capacitores.

Os dispositivos com dois pinos não são osciladores, são ressonadores (cristais), que podem ser usados ​​em um circuito oscilador (como um oscilador Pierce r) e, se usados ​​com o circuito correto, oscilarão na (ou próximo) a frequência marcada . O circuito do oscilador Pierce, mostrado abaixo, usa dois capacitores (capacitores de carga, C1 / C2), o cristal (X1) e um amplificador (U1).

Os dispositivos com quatro pinos são circuitos completos, incluindo um ressonador e um circuito ativo que oscila. Eles requerem energia e emitem uma onda quadrada ou senoidal na (ou próximo) da frequência marcada.

Existem também ressonadores (cerâmicos) com três pinos que agem como cristais com capacitores.

A maneira como os cristais (e os ressonadores de cerâmica) funcionam é que eles são feitos de um material piezoelétrico que produz uma tensão quando são distorcidos. Uma voltagem aplicada causará uma distorção na forma. O cristal é transformado em uma forma que ressoa fisicamente (como um diapasão ou um prato) na frequência desejada. Isso significa que o cristal funcionará como um filtro - quando você aplicar a frequência desejada, ele parecerá com uma alta impedância assim que vibrar e, para frequências um pouco diferentes, será mais prejudicial. Quando colocada no circuito de realimentação de um amplificador, a oscilação será auto-sustentável. Muito mais, e um pouco de matemática, aqui .

Se você pensa em um cristal como um sino minúsculo, é fácil ver como, se você o acertar com um pequeno martelo, ele tocaria com um tom puro, como um sino grande faria se você tocasse o sino grande com um pequeno martelo.

É exatamente isso que um cristal faz, mas o truque é que ele é feito de material piezoelétrico que produz eletricidade quando você o atinge e muda de forma quando você o choca com eletricidade.

Para fazê-lo produzir aquele tom puro de sino continuamente, ele é conectado através de um amplificador que funciona como alguém empurrando você em um balanço, de modo que, quando você passava um pouco do pico de um balanço, ele pressionava certifique-se de voltar para o próximo.

A natureza piezoelétrica do cristal faz com que ele mude de forma quando a saída do amplificador o "empurra" com um sinal elétrico e, quando o amplificador o solta, o cristal volta e gera seu próprio sinal que diz "me empurre" e envia para a entrada do amplificador no momento certo para o amplificador gerar outro impulso e regenerar o ciclo, para sempre.

Então, o que faz o cristal começar a oscilar?

Barulho.

Há barulho por toda parte, e são como zilhões de pequenos martelos atingindo tudo o tempo todo.

Parte desse ruído atinge o cristal, e quando ele é conectado ao amplificador e começa a tocar um pouco com o ruído, o amplificador recebe o sinal elétrico do tom de toque físico (frequência) do cristal, o constrói e o envia de volta ao cristal. Isso faz com que o cristal mude de forma ainda mais, enviando um sinal maior de volta ao amplificador quando a forma do cristal volta, até que o sistema esteja oscilando continuamente e esteja estável.

Um cristal não oscila por si próprio. Você simplesmente não aplica energia e elimina oscilações. Pense em um cristal como um filtro de frequência muito preciso e preciso. Você o coloca no caminho de realimentação de um amplificador da maneira correta e faz com que o circuito oscile na frequência ressonante do cristal. É o circuito que causa as oscilações. Eles cristalam todas as frequências, exceto a que está sintonizada, o que permite apenas um ganho geral suficiente do loop para o circuito oscilar na frequência do cristal.

Os cristais abaixo de sua frequência ressonante parecem principalmente capacitivos. Acima de sua frequência ressonante, eles parecem principalmente indutivos. Na frequência ressonante, eles parecem principalmente resistivos.

Re-desenhe o oscilador Pierce três vezes, substituindo o cristal por um desses componentes. Isso pode ajudá-lo a entender como funciona.

Cristais ressonantes paralelos são na verdade especificados um pouco abaixo da frequência fundamental. Isso faz com que o cristal pareça um pouco capacitivo na frequência especificada. A capacitância adicional adiciona um pouco de mudança de fase adicional para ajudar o oscilador a iniciar e executar.

A entrada do amplificador vê um sinal maior próximo ao fundamental do cristal (resistivo, normalmente abaixo de 100 Ohms ESR). Os sinais menores de baixa frequência são diminuídos ou bloqueados, de modo que um sinal na frequência fundamental fica mais forte (depois de amplificado) e domina.

Empurre alguém em um balanço. Não importa o quanto você tente, o balanço só se moverá para frente e para trás em alguma frequência fundamental.

Imagine um cristal como a superfície da água. Agora envie ondas (ondas) através dessa superfície. As ondulações movem a superfície para cima e para baixo, dobrando efetivamente a superfície. O cristal também se dobra à medida que vibra.

A flexão pode ser causada pela aplicação de um campo elétrico a um cristal de quartzo, mas também a própria flexão cria um campo elétrico oposto na estrutura cristalina. Em repouso, essas forças são equilibradas e o cristal não tem carga.

O que é mais fácil de vibrar com a mão: uma régua de 12x1 pol. Ou uma folha de compensado de 6x4 pés? Obviamente, a régua menor pode ser vibrada mais rapidamente!

Os cristais são os mesmos. Suas dimensões determinam sua frequência ressonante; cristais menores e / ou mais finos vibram mais rapidamente. Isso também limita a frequência fundamental de um cristal: os cristais ficam muito pequenos ou muito finos para serem processados ​​com precisão por usinagem mecânica ou gravação química em frequências mais altas.

Em frequências realmente baixas, os cristais se tornam tão grandes ou grossos que são necessários muito poder para fazê-los dobrar; portanto, um design de cristal de diapasão é usado para cristais de temporização de 32.768 kHz de baixa frequência.

Os cristais podem realmente oscilar em mais de uma frequência. Essas são as conotações em múltiplos do fundamental, mas tendem a ser mais fracas que o fundamental. É possível projetar um circuito para fazer com que um cristal oscile em um tom alto, normalmente o terceiro ou quinto. Normalmente, cristais acima de 40 MHz são projetados para o terceiro ou o quinto tom, e não o fundamental, portanto, leia com atenção as especificações antes de comprar!