Como funciona um cristal de quartzo?

Você poderia explicar como um cristal de quartzo funciona, talvez com um esquema simples com as coisas essenciais? Eu sei que funciona como uma espécie de estabilizador para um oscilador, mas nada além disso.

O quartzo é um material piezoelétrico, o que significa que se você o deforma mecanicamente, ele desenvolve cargas em sua superfície. Da mesma forma, se você colocar cargas em sua superfície, isso causa estresse mecânico no cristal. A maneira como um cristal de quartzo beneficia um circuito é que mecanicamente o cristal age como um diapasão, com uma frequência ressonante natural, e a propriedade piezoelétrica permite que isso seja acoplado a um circuito eletrônico. Como a frequência ressonante é determinada principalmente pelo tamanho e forma físicos do quartzo, você obtém uma referência de frequência muito menos sensível à temperatura do que usaria apenas circuitos LC.

Já existem duas ótimas respostas, então apenas tentarei dar uma explicação diferente da mesma coisa.

fundo

Portanto, em um oscilador Pierce, você tem um sistema digital conectado a um oscilador de cristal.

Agora você provavelmente já viu como as portas lógicas mudam de estado, com um tempo de subida especificado. Se você dedicar algum tempo para aprender sobre Compatibilidade Eletromagnética ou apenas design digital de alta velocidade (o melhor livro existente sendo o de Johnson ), você aprenderá que isso pode ser visto como uma ampla gama de frequências.

O que o cristal faz

Existem duas maneiras de ver o que o cristal faz, no domínio da frequência e no domínio do tempo. Começarei com o domínio da frequência devido à preferência pessoal. Eu empurro todos os engenheiros elétricos com quem trabalho para ficar em casa com o domínio da frequência; muitos problemas se tornam simples aqui, e respostas complicadas têm significado.

Domínio de frequência

Da perspectiva do domínio da frequência, um cristal é um filtro em uma frequência muito específica com um fator Q (qualidade) muito alto. Isso significa que, de todas as frequências que você gera, você permite apenas a específica que o cristal permite.

Domínio do tempo

A outra maneira é pensar em um portão amarrado a si próprio. Se não houvesse nada lá, criaria uma onda quadrada com uma frequência igual ao atraso, mas essa frequência não é extremamente confiável e também varia com base em muitos parâmetros de fabricação. É aqui que o cristal o afeta. Se o cristal tiver uma borda ascendente colocada, ele apenas "passará" pelo sinal na frequência selecionada. De repente, a onda quadrada de 100MHz se torna uma onda sinusal de 20MHz devido ao cristal.

Um pouco de pensamento extra

Gostaria de saber por que os osciladores puxam tanta corrente? Você está carregando e descarregando a capacitância no circuito do oscilador 20 milhões de vezes por segundo. Além disso, durante todos os ciclos do relógio, muitos transistores no seu circuito fazem o mesmo. se você não precisa de velocidade, um oscilador de 32KHz custa muito pouco em potência nos microcontroladores.

Deixe-me saber se eu puder ser mais claro.

Da Wikipedia :

Um cristal oscilador possui duas placas eletricamente condutoras, com uma fatia ou um diapasão de cristal de quartzo imprensado entre elas. Durante a inicialização, o circuito ao redor do cristal aplica um sinal CA de ruído aleatório e, por acaso, uma pequena fração do ruído estará na frequência ressonante do cristal. Portanto, o cristal começará a oscilar em sincronia com esse sinal. À medida que o oscilador amplifica os sinais que saem do cristal, os sinais na faixa de frequência do cristal se tornam mais fortes, eventualmente dominando a saída do oscilador. A estreita faixa de ressonância do cristal de quartzo filtra todas as frequências indesejadas.

Eu gostaria de mencionar alguns recursos adicionais - bastante importantes -:

• O quartzo pode ser operado em série , bem como em operação ressonante paralela (no entanto, ambas as frequências ressonantes são muito próximas uma da outra);

• Em algumas aplicações (em particular para osciladores baseados em transistor como o tipo Pierce), o quartzo NÃO é usado como circuito ressonante, mas como indutor de alta qualidade .