Ajuste, Puxamento e Ajuste de Frequência do Ressonador de Cristal

8 de março de 2023 0 Comentários Leitura: 9 min

É possível cortar ou ajustar a frequência de um ressonador de cristal de quartzo adicionando capacitância e indutância adicionais usando uma técnica geralmente chamada de pull.

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Tutorial sobre Cristais de Quartzo, inclui:

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Em alguns casos, é necessário ser capaz de ajustar ou “puxar” a frequência ressonante de um ressonador de cristal para acomodar pequenas mudanças que podem ser necessárias na frequência ressonante.

Existem muitos casos em que isso pode ser necessário e, ao fazer isso, combina o desempenho fenomenal do ressonador de cristal em termos de estabilidade e Q com a capacidade de ter uma pequena mudança na frequência do oscilador. Naturalmente, a capacidade de ajustar a frequência reduz um pouco o desempenho do cristal, mas ainda é mais do que adequado para a maioria dos propósitos.

Os osciladores de cristal com compensação de temperatura como este ajustam ou ajustam eletronicamente a frequência do oscilador para compensar as variações de temperatura

Embora VXOs, osciladores de cristal variável tenham sido usados no passado, onde a frequência do oscilador de cristal era variada manualmente, o uso mais comum hoje é para osciladores de cristal controlados por tensão VCXOs que são usados em osciladores de cristal com compensação de temperatura, loops de fase bloqueada de banda estreita e um número de outras aplicações.

O ajuste de frequência é usado de várias maneiras diferentes. Eles podem ser usados em osciladores de cristal com compensação de temperatura, TCXOs onde um sensor de temperatura é usado para alimentar um circuito que compensa o desvio com a temperatura.

Os TCVXOs podem ser usados para projetos de RF de alta estabilidade, onde o custo de um oscilador totalmente controlado por forno pode não ser viável.

Também é possível ajustar as frequências dos osciladores de cristal periodicamente, onde podem ser verificadas em relação a um padrão de alta precisão.

Sumário

Noções básicas de puxar a frequência ressonante de um ressonador de cristal

Um ressonador de cristal é um circuito sintonizado cujo desempenho pode ser simulado por componentes eletrônicos mais usuais.

Este circuito equivalente fornece informações sobre sua operação, pois é possível ver como os diferentes componentes eletrônicos do circuito equivalente reagem juntos.

Circuito equivalente do ressonador de cristal de quartzo

Neste circuito equivalente é possível equiparar os diferentes componentes eletrônicos a elementos da função do ressonador de cristal de quartzo.

L: A indutância surge da massa do material.
C1: Esta capacitância surge da complacência do cristal.
R: Este elemento surge das perdas no sistema. A maior delas surge das perdas por atrito da vibração mecânica do cristal.
Co : Esta capacitância no circuito equivalente de cristal de quartzo teórico surge da capacitância entre os eletrodos do elemento de cristal. Isso geralmente é chamado de capacitância shunt.

Além dos componentes eletrônicos mostrados no circuito equivalente, uma capacitância externa conhecida como capacitância de carga precisa ser fornecida dentro do projeto do circuito eletrônico para que o cristal vibre em sua frequência de ressonância.

Essa capacitância de carga é especificada na folha de dados do cristal e é um dos parâmetros que precisa ser especificado no pedido. Valores de 20pF e 30pF são valores comumente usados.

A capacitância de carga tem um efeito perceptível na frequência de ressonância do cristal quando ele está operando em seu modo de operação paralelo. Tem um efeito quando o cristal está operando em seu modo série, mas o efeito do capacitor de carga é muito menor.

É possível expressar a equação para puxar um cristal como abaixo:

Onde:
Δf = diferença entre a frequência puxada ou de carga e a frequência ressonante em série fs
C _L = capacitância de carga

Também é possível calcular a puxabilidade média do cristal em termos de mudança de frequência por mudança de picoFarad da capacitância de carga.

Pode-se ver que é necessário ter conhecimento da capacitância shunt, capacitância de movimento e capacitância de carga para conseguir isso. Nos casos em que esses números estão disponíveis, isso pode ser muito útil.

Os limites de Δf realmente dependem do Q do cristal, que está relacionado aos valores dos componentes eletrônicos no circuito equivalente e também à capacitância de carga.

Circuitos para puxar frequência de oscilação de cristal

Existe uma variedade de circuitos diferentes que podem ser usados para ajustar ou puxar a frequência na qual um cristal de quartzo oscila.

Essencialmente para ajustar ou puxar a frequência de um oscilador de cristal, é necessário alterar a capacitância de carga. Isso mudará a frequência da oscilação, permitindo que ela seja ajustada para o valor necessário dentro da faixa disponível.

O circuito mais comumente usado é o oscilador Colpitts. O uso de um capacitor variável simples através do cristal permitirá que um ajuste adequado seja feito. Também reduzindo os valores dos capacitores C1 e C2 no projeto do circuito eletrônico, mantendo também o funcionamento do circuito, é possível reduzir a capacitância de carga proveniente deste elemento do circuito, permitindo assim um maior ajuste.

VXO típico, circuito oscilador de cristal de frequência variável

Este tipo de circuito pode ser usado onde é necessário um ajuste manual da frequência do oscilador de cristal. Também pode ser usado em alguns rádios amadores controlados por cristal de baixa potência ou transmissores de rádio amador. Ao usar um oscilador de cristal, isso simplifica consideravelmente o projeto eletrônico e o número de componentes eletrônicos usados, tornando o transmissor adequado para a construção residencial.

Na maioria das aplicações, é mais conveniente controlar a frequência do oscilador de cristal usando uma tensão de controle. Isso significa que ele pode ser incorporado a uma variedade de designs de circuitos eletrônicos, incluindo: circuito fechado de fase de banda estreita; um oscilador de cristal controlado por voltagem VCXO; oscilador de cristal com compensação de temperatura TCXO; e muitos mais projetos de circuito.

Para obter o controle de tensão, diodos varactor são usados. É normal usar diodos consecutivos conforme mostrado.

É possível usar um único diodo, mas então um capacitor em série é necessário em vez do diodo D1 para isolar a tensão de sintonia e a tensão de polarização do transistor uma da outra. Os diodos back to back fornecem uma melhoria geral no desempenho em relação ao diodo único.

O resistor através do cristal é necessário para fornecer um retorno CC para a tensão de polarização do diodo D1. Seu valor pode ser alto porque quase não há fluxo de corrente devido ao fato de que os diodos varactor são polarizados reversamente.

Em ocasiões, deslocamentos de frequência relativamente grandes para osciladores de cristal podem ser necessários. Uma aplicação é em rádios amadores, transmissores de código Morse de baixa potência. Aqui, o uso de um oscilador de cristal oferece um bom nível de estabilidade, mesmo quando grandes mudanças são vistas, e a alta saída em comparação com um oscilador de frequência variável LC é muito benéfica. Eles são muito mais simples do que outras soluções e usam menos componentes eletrônicos. Esses osciladores normalmente não seriam usados para aplicações de desempenho, porque a estabilidade, o ruído de fase e a precisão estão obviamente comprometidos, mas ainda mais do que suficientes para aplicações de rádio amador.

Circuito para um VXO dando um alto nível de mudança de frequência

Deve-se tomar cuidado durante o projeto eletrônico de um circuito como este. Se a mudança de frequência se tornar muito grande, a saída pode cair ou o oscilador pode parar de funcionar completamente, ou a frequência de oscilação pode ser governada apenas pela combinação LC. No entanto, com projeto eletrônico cuidadoso e otimização, um maior grau de deslocamento de frequência pode ser obtido do que se um simples capacitor variável fosse usado.

Mudando a frequência de ressonância do cristal

Anos atrás, quando os cristais de quartzo não estavam contidos em uma unidade hermética, muitas vezes era possível desmontá-los para obter o elemento de quartzo ressonante real.

Uma vez obtido o elemento de quartzo, este poderia ser alterado para que sua frequência de ressonância fosse alterada.

Um “truque” era fazer uma pequena marca de grafite, ou seja, uma marca de lápis no elemento de quartzo para diminuir ligeiramente sua frequência de ressonância.

Outros realmente conseguiram moer as principais faces planas do cristal para aumentar ligeiramente a frequência de ressonância. Isso exigiu muita habilidade, pois os rostos precisavam permanecer virtualmente perfeitamente paralelos.

Em todos os casos, o elemento de cristal de quartzo precisava permanecer o mais limpo possível. Foi sugerido que luvas de algodão fossem usadas ao fazer isso.

Essas operações não eram de forma alguma recomendadas, mas para quem quisesse experimentar e tivesse cristais de sobra, alguma mudança na frequência de ressonância era possível, embora quase sempre a atividade do cristal de quartzo fosse reduzida.

Embora os cristais de quartzo forneçam uma solução de ruído de fase simples, precisa, estável e baixa para uso em osciladores, muitas vezes é necessário ser capaz de ajustar a frequência. O conceito de puxar a frequência usando um capacitor de carga variável é amplamente utilizado em um grande número de projetos de circuitos. Isso é alcançado de forma muito simples, usando poucos componentes eletrônicos.

Embora haja um equilíbrio entre a quantidade de tração ou deslocamento disponível e outros aspectos, como estabilidade, ruído de fase e similares, os níveis de deslocamento normalmente usados significam que o desempenho é normalmente adequado para praticamente todas as aplicações.

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