Oscilatoare cu cristal de cuart

Stabilitatea frecventei generate de un oscilator este conditionata de factorul de calitate al circuitului oscilant si de influenta pe care factorii externi (temperatura, sarcina etc) si trecerea timpului (imbatranirea) o au asupra componentelor acestui circuit. Factorul de calitate al circuitelor rezonante LC obisnuite este cuprins de regula intre 100 si 300, ca atare si stabilitatea acestor oscilatoarelor LC prezentate in capitolele anterioare este limitata.

Datorita factorului de calitate extrem de ridicat si a unei stabilitati foarte bune cu temperatura, rezonatorul din cuart se utilizeaza pe scara larga in realizarea oscilatoarelor cu o inalta stabilitate a frecventei de oscilatie. Suportul teoretic al acestor oscilatoare este acelasi ca pentru oscilatoarele LC obisnuite [FRE99].

Pentru realizarea unui rezonator, un cristal de cuart este taiat dupa anumite directii cristalografice, este slefuit si apoi, pe doua fete paralele, i se depun electrozi metalici. O tensiune alternativa aplicata pe electrozi provoaca vibratii mecanice datorita actiunii campului electric asupra sarcinilor electrice din retea (efectul piezoelectric invers, pronuntat la cristalul de cuart).

Din punct de vedere electric cristalul ofera o independenta cu proprietati de circuit rezonant. Circuitul echivalent complet al rezonatorului din cuart este prezentat in figura 5.36.a. De regula, se prefera utilizarea unui circuit echivalent mai simplificat prezentat in figura 5.36.b. Variatia cu frecventa a reactantei circuitului, prezentata in figura 5.36.c releva existenta a doua rezonante [FRE99]:

- o rezonanta serie la frecventa

(5.116)

Figura 5.36. Rezonatorul din cuart: (a) circuit echivalent complet, (b) circuit echivalent simplificat, (c) simbol si (d) variatia cu frecventa a reactantei circuitului (r ≈ 0)

- si o rezonanta paralel la frecventa:

(5.117)

Rezonatoarele din cuart disponibile au frecvente de rezonanta cuprinse intre aproximativ 15 kHz si 20 MHz, cu factori de calitate cuprinsi intre 10⁴ si 3∙10⁵. Variatia relativa a frecventei de rezonanta, Δf₀/f₀, cu temperatura este cuprinsa intre 2∙10⁻⁷/°C si 1,2∙10⁻⁶/°C [FRE99].

Simbolul utilizat pentru un rezonator din cuart este prezentat in figura 5.36.c.

1. Oscilatoare care utilizeaza rezonanta serie a rezonatorului din cuart

La rezonanta serie rezonatorul din cuart are o impedanta practic nula (sau foarte mica in raport cu celelalte impedante din circuit). Ca atare, rezonanta serie a acestuia poate fi folosita astfel:

(1) rezonatorul din cuart poate fi plasat intr-o retea de reactie pozitiva care va avea atenuare minima la frecventa a cristalului;

(2) rezonatorul din cuart poate fi plasat in paralel cu o rezistenta de polarizare a tranzistorului amplificator, rezistenta ce influenteaza amplificarea in tensiune a acestuia, astfel incat la frecventa de rezonanta, prin scurtcircuitarea rezistentei, amplificarea sa fie maxima.

Un exemplu al primei modalitati de utilizare a rezonatorului de cuart este prezentat in figura 5.37. Circuitul este practic un oscilator Colpitts, in care semnalul de reactie pozitiva este adus la intrarea tranzistorului printr-un divizor format din rezonatorul de cuart si rezistenta R_E.

Reactia pozitiva este maxima la frecventa de rezonanta serie. Componenta dinamica a curentului de emitor are valoarea aproximativ egala cu cea a curentului care trece prin cristal (rezistenta de intrare in tranzistor vazuta din emitor, R_inT,E ≈ r_π/(β_F+1), este mult mai mica decat rezistenta R_E). Curentul ce trece prin cristal este sinusoidal (rezonatorul de cuart prezinta o impedanta mult mai mare pentru armonici). Cu toate acestea, datorita caracterului neliniar al caracteristicii I-V a tranzistorului bipolar, tensiunea baza-emitor nu va fi sinusoidala.

Pentru a remedia aceasta situatie schema se poate modifica prin introducerea a inca unui tranzistor T₂, cuplat pe emitor cu primul, ca in figura 5.38. Tranzistorul T₂ este in configuratie de repetor pe emitor. Rezistenta R_b este mult mai mica decat rezistenta de intrare in tranzistorul T₂ vazuta din baza, R_inT,B ≈ r_π2+(β_F2+1) ∙ r_π1/(β_F1+1) ≈ r_π2 + r_π1. Curentul sinusoidal al cuartului va trece aproape in intregime prin rezistenta R_b si in consecinta tensiunile si vor fi sinusoidale.

Un exemplu al celei de a doua modalitati de utilizare a rezonatorului de cuart este prezentat in figura 5.39. Circuitul este un oscilator cu reactie pozitiva prin transformator. La frecventa de rezonanta serie, rezonatorul de cuart scurtcircuiteaza rezistenta de emitor, R_E, amplificarea devine maxima, relatia lui Barkhausen este indeplinita si in circuit se amorseaza oscilatii.

Trebuie subliniat faptul ca limitarea amplitudinii de oscilatie este extrem de importanta la oscilatoarele cu rezonator de cuart, acesta putand fi distrus daca amplitudinea curentului ce il parcurge depaseste valoarea maxim admisa sau stabilitatea de frecventa poate fi compromisa.

2. Oscilatoare care utilizeaza rezonanta paralel a rezonatorului din cuart

Atunci cand este folosit in modul de rezonanta paralel cristalul se comporta inductiv si poate fi folosit in locul unei inductante in schemele de tip Hartley sau Colpitts (Clapp). Un exemplu de utilizare a rezonatorului de cuart intr-un oscilator de tip Colpitts cu alimentarea tranzistorului in varianta paralel este prezentat in figura 5.40. Rezonatorul din cuart fixeaza practic frecventa de rezonanta. Capacitorul C₁, pe langa asigurarea conditiei de amorsare, formeaza impreuna cu rezistenta R_G circuitul de polarizare dinamica a tranzistorului cu efect de camp.

În figura 5.41 este prezentat un oscilator tip Hartley cu rezonator de cuart, numit oscilator Miller. Circuitul rezonant din drena (L,C ^/) lucreaza dezacordat inductiv. Reactia pozitiva are loc prin capacitatea C (in paralel cu capacitatea grila-drena, C_gd, a tranzistorului cu efect de camp). Rezonatorul din cuart constituie celalalt circuit dezacordat inductiv al oscilatorului in trei puncte. De asemenea, capacitatea C₀ a rezonatorului de cuart formeaza impreuna cu R_G circuitul de polarizare dinamica a tranzistorului.

Observatie

În locul tranzistorului cu efect de camp cu grila jonctiune poate fi utilizat si un tranzistor MOS cu canal initial, dar trebuie plasata intre grila si sursa sau intre grila si masa dioda redresoare (detectoare).

Dezavantajul principal al oscilatoarelor cu cuart este functionarea pe frecventa fixa, determinata de cristalul de cuart folosit. Reglajul frecventei se poate face prin conectarea in serie sau in paralel cu rezonatorul de cuart a unor reactante, dar in limite restranse. Trebuie subliniat faptul ca prezenta unor elemente de reglaj inductive duce la scaderea factorului de calitate al rezonantei utile. De aceea, de regula, modificarea frecventei se realizeaza cu elemente de reglaj capacitive.