Como Funciona um Ressonador de Cristal de Quartzo
A operação dos cristais de quartzo depende do efeito piezoelétrico que liga as ressonâncias mecânicas ao sistema elétrico.
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Tutorial sobre Cristais de Quartzo, inclui:
Cristais de quartzo: xtals | O que é quartzo | Como um cristal funciona | Operação da sobretensão do cristal | Puxamento da frequência do cristal de quartzo | Cortes de cristal de quartzo | Envelhecimento do quartzo | Fabricação de ressonadores de cristal | Como especificar um cristal de quartzo | VCXO | TCXO | OCXO | Filtro de cristal | Filtro de cristal monolítico | Ressonador e filtro cerâmico | Especificações do filtro cerâmico
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A operação dos ressonadores de cristal de quartzo ou xtais depende do efeito piezoelétrico e das ressonâncias mecânicas agudas do material.
Os sinais elétricos são convertidos de sua forma elétrica em vibrações mecânicas. São essas vibrações que são afetadas pelas ressonâncias mecânicas do cristal de quartzo e depois ligadas de volta ao sistema elétrico.
As perdas associadas aos cristais de quartzo são muito baixas e isso significa que a seletividade ou fator de qualidade Q é extremamente alto.
Efeito piezoelétrico
Ao observar como um cristal de quartzo funciona, primeiro é necessário entender os fundamentos do efeito piezoelétrico.
É um efeito que ocorre em vários materiais, tanto naturais quanto sintéticos.
O efeito piezoelétrico ocorre no quartzo, bem como em vários materiais cerâmicos usados na indústria eletrônica, bem como em várias substâncias orgânicas. É por esta razão que alguns ressonadores de cerâmica estão disponíveis, embora seu desempenho não seja igual ao do quartzo em termos de uso como ressonador.
O efeito peizoelétrico não é usado apenas em ressonadores, mas também pode ser usado em transdutores elétricos – sensores de movimento, medidores de tensão, microfones de cristal e muitos mais.
Quando ocorre o efeito piezoelétrico, uma carga elétrica se desenvolve em certos materiais sólidos como resultado de uma tensão mecânica aplicada. Este efeito converte uma tensão mecânica em um cristal em uma tensão e vice-versa, ou seja, uma tensão pode causar uma carga a ser desenvolvida através do material, ou colocar uma carga através do material causará uma tensão.
Como funciona um ressonador de cristal de quartzo: o básico
Para a operação de um cristal de quartzo, descobriu-se que o efeito piezoelétrico converte os impulsos elétricos em estresse mecânico que está sujeito às ressonâncias mecânicas Q muito altas do cristal, e este, por sua vez, é ligado de volta ao circuito elétrico.
O cristal de quartzo pode vibrar de várias maneiras diferentes, e isso significa que ele possui várias ressonâncias – cada uma em uma frequência diferente.
Felizmente, a maneira como o bloco de cristal de quartzo é cortado do próprio cristal original pode reduzir isso de forma significativa. De fato, o ângulo das faces em relação aos eixos originais do cristal determina muitas de suas propriedades, desde a forma como ele vibra até sua atividade, Q, e seu coeficiente de temperatura.
Ao observar como um ressonador de cristal de quartzo funciona, pode-se ver que existem três maneiras principais pelas quais um cristal pode vibrar:
- Modo longitudinal: No modo longitudinal, o cristal se estende e encurta. Isso faz com que o centro fique mais fino à medida que o cristal se estende e mais espesso à medida que diminui.
Vibração longitudinal do ressonador de cristal de quartzo - Modo de cisalhamento de face de baixa frequência: Para cristais que funcionam neste modo, toda a forma retangular do cristal vibra conforme mostrado abaixo.
Vibração de cisalhamento de baixa frequência do ressonador de cristal de quartzo - Cisalhamento de alta frequência: O modo de cisalhamento de alta frequência é usado para a maioria dos ressonadores de cristal de quartzo que trabalham na região de 1 MHz para cima.
Vibração de cisalhamento de alta frequência do ressonador de cristal de quartzo
A maneira como o cristal bruto é cortado do cristal bruto afeta a maneira como ele vibra. Em particular, o ângulo em que é cortado em relação aos eixos do cristal de quartzo a granel tem um efeito importante. Existem vários ‘cortes’ padrão que recebem nomes e têm parâmetros de desempenho conhecidos e úteis. Um corte conhecido como corte AT é usado para a maioria dos cristais encontrados em circuitos eletrônicos e de rádio tradicionais e normalmente vibra usando o modo de cisalhamento de alta frequência.
Circuito equivalente de um ressonador de cristal de quartzo
Para analisar a resposta elétrica de um ressonador de cristal de quartzo, muitas vezes é útil representá-lo como os componentes elétricos equivalentes que seriam necessários para substituí-lo. Este circuito equivalente pode então ser usado para analisar sua resposta e prever seu desempenho como no diagrama abaixo:
O circuito equivalente dado abaixo é geralmente chamado de modelo de cristal de 4 parâmetros e é suficiente para muitos cálculos e para ilustrar a operação do cristal.
É possível equiparar esses componentes teóricos constituintes aos atributos físicos reais do cristal:
- 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 de seu uso em osciladores, os cristais de quartzo encontram uso em filtros. Aqui eles oferecem níveis de desempenho que não podem ser alcançados por outras formas de filtro. Freqüentemente, vários cristais podem ser usados em um filtro para fornecer a forma correta.
Cristal paralelo e ressonância em série
Existem dois modos nos quais um oscilador de cristal pode operar e estes podem ser vistos no diagrama de circuito equivalente.
- Ressonância em série: Esta é uma condição de ressonância em série padrão formada pela conexão em série de um capacitor e indutor. Na frequência ressonante, fs, as reatâncias capacitiva e indutiva se cancelam e a impedância cai para um mínimo igual à resistência no circuito, ou seja, R.
Verificou-se que neste modo o circuito externo tem muito pouco efeito na ressonância do cristal.
- Ressonância paralela: A ressonância paralela para a condição de cristal de quartzo é formada por um capacitor e indutor em paralelo. Na ressonância, a impedância deste circuito atinge um máximo. A derivação da frequência ressonante real, fp, para este modo incorpora a indutância junto com ambos os capacitores vistos no circuito equivalente.
- Ao operar neste modo, será visto que qualquer capacitância introduzida pelo circuito externo também terá efeito. Como resultado, esta capacitância de ‘carga’ faz parte da especificação para a operação do cristal – valores de carga de 30pF, 20pF, etc são vistos nas especificações. Os cálculos no projeto do oscilador devem permitir que a capacitância de carga correta seja fornecida ao cristal. Alterar a capacitância de carga também pode ser usado para ajustar a frequência exata do cristal para garantir que esteja exatamente na frequência correta. Normalmente, um pequeno capacitor variável pode ser adicionado para garantir que a capacitância de carga correta seja fornecida.
Às vezes, esse modo é chamado de frequência antirressonante do cristal. A razão para isso é que a impedância do circuito atinge um pico na ressonância.
Os ressonadores de cristal de quartzo podem operar em qualquer um dos modos e, de fato, a diferença entre as frequências ressonantes paralelas e em série é bem pequena. Normalmente, eles estão separados por apenas cerca de 1%.
Dos dois modos, o modo paralelo é mais comumente usado, mas qualquer um pode ser usado. Os circuitos osciladores para usar os diferentes modos são naturalmente diferentes, pois um oscila quando o cristal atinge sua impedância máxima enquanto o outro opera quando o cristal atinge sua impedância mínima.
Cristal Q, fator de qualidade
O Q ou fator de qualidade é um aspecto importante da ressonância do cristal de quartzo. Os cristais oferecem níveis muito altos de Q, às vezes acima de 100.000.
Assim, é necessário ser capaz de calcular o nível de Q para poder determinar outras restrições e considerações de projeto para o circuito no qual ele deve operar.
Uma equação direta está disponível para poder calcular o valor de Q para um determinado cristal.
A partir disso, pode-se ver que a capacitância em série tem um efeito importante no Q. Abaixar a capacitância em série aumenta o Q em proporção direta para uma determinada frequência.
Os ressonadores de cristal de quartzo são uma ligação complexa entre os domínios elétricos e mecânicos. Embora na teoria pareça que a operação da teoria parece bastante direta, na prática muitos efeitos trabalham juntos e podem se conectar de maneiras inesperadas. Não é desconhecido que os ressonadores de cristal de quartzo sejam excitados por um modo diferente em um circuito específico e, portanto, operem em uma frequência incorreta. Compreender como os ressonadores de cristal de quartzo funcionam pode ajudar a identificar esses problemas no caso improvável de ocorrerem. Muitas vezes, adicionar um circuito amplamente ressonante ao oscilador para garantir que ele só possa operar no modo necessário é suficiente neste caso.
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