Operação Harmônica do Ressonador de Cristal de Quartzo

8 de março de 2023 0 Comentários Leitura: 4 min

À medida que as frequências do ressonador de cristal de quartzo aumentam, fica mais fácil operá-los no modo harmônico.

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Tutorial sobre Cristais de Quartzo, inclui:

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Freqüentemente, é necessário operar ressonadores de cristal de quartzo em frequências muito altas para alguns projetos de RF – às vezes é necessário usar o alto Q e o desempenho de cristais de quartzo em altas frequências.

O uso de um modo de operação harmônico para o ressonador de cristal de quartzo permite que o componente eletrônico opere em frequências muito altas, mantendo-se robusto e fácil de fabricar.

Sumário

Razão para usar a operação harmônica para cristais de quartzo

Os cristais de quartzo usam as ressonâncias mecânicas do elemento de quartzo para fornecer altos níveis de Q e desempenho geral. Isso está ligado ao circuito elétrico como resultado do efeito piezoelétrico.

À medida que as frequências de operação aumentam, o fato de as ressonâncias mecânicas determinarem a frequência de operação significa que os blocos de quartzo se tornam menores.

Embora as técnicas de fabricação tenham melhorado imensamente nos últimos anos, ainda se constata que, à medida que as frequências aumentam, o custo de processamento de blanks muito finos aumenta e as taxas de rejeição/falha aumentam.

Operação harmônica de cristal de quartzo

Embora o método mais óbvio de usar um ressonador de cristal de quartzo seja operá-lo em sua frequência fundamental, operar um cristal em seu modo harmônico oferece algumas vantagens distintas.

Frequências harmônicas estão em torno de três, cinco, sete, etc vezes a frequência fundamental. Isso significa que os blocos de cristal de quartzo podem ter uma frequência fundamental muito menor do que a frequência final de operação pretendida, tornando os blocos muito mais fáceis de fabricar e muito menos frágeis.

Para um cristal de corte AT, esses modos de harmônicos estão quase no número de harmônicos vezes a frequência do fundamental. Na verdade, a frequência real do harmônico equivale mais aproximadamente à frequência fundamental do modo série vezes o número do harmônico.

Também deve ser lembrado que os cristais também podem ter muitos outros modos de operação que podem ser exercidos. Esses modos são indesejados e podem ser excitados em graus menores ou maiores por diferentes circuitos. Deve-se tomar cuidado especialmente ao usar cristais em circuitos digitais não sintonizados, pois modos indesejados podem dominar inesperadamente. Qualquer ajuste tenderá naturalmente a suprimir esses modos indesejados.

As principais aplicações para cristais harmônicos são para frequências acima de 30 MHz e mais. Aqui, os cristais normalmente vibram em um modo de cisalhamento de espessura e os cristais podem ser excitados em harmônicos fundamentais ou ímpares. Verificou-se que a capacitância de movimento C1n de um cristal harmônico diminui. Segue uma lei aproximada onde a capacitância para o enésimo harmônico é a capacitância para o fundamental dividida pelo quadrado do número do harmônico.

Ao solicitar cristais para operação em modo harmônico, isso deve ser especificado ao fabricante para que o branco possa ser retificado para operar corretamente na frequência necessária. Freqüentemente, os fabricantes têm um formulário de pedido específico para cristais, e uma das perguntas a serem respondidas é se o cristal deve ser operado no modo harmônico.

Circuitos para osciladores de cristal harmônico

Ao usar um cristal em seu modo harmônico, é fundamental que o projeto do circuito eletrônico garanta que o cristal de quartzo opere em seu modo harmônico e não opere em seu fundamental e um harmônico necessário selecionado posteriormente.

A razão para isso é que o harmônico do fundamental e a frequência do cristal operando em seu modo harmônico serão ligeiramente diferentes. Isso pode fazer uma diferença significativa em alguns casos.

Para superar isso, o projeto de RF para o circuito deve incorporar um circuito sintonizado que garanta que o feedback no oscilador ocorra na frequência harmônica e rejeite a frequência fundamental. Isso garantirá que o oscilador opere na frequência harmônica e não na fundamental.

Os cristais de quartzo harmônicos são muito úteis em muitos projetos de RF ou outras aplicações gerais de projetos de circuitos eletrônicos, onde a estabilidade e o desempenho de um oscilador de cristal são necessários em uma frequência maior do que aquela que pode ser alcançada confortavelmente usando um cristal de modo fundamental padrão. Nesses casos, o custo do cristal harmônico é muito menor do que o de um cristal de quartzo que seria fabricado para operar em modo fundamental na alta frequência necessária.

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