Come funziona un cristallo?

In particolare, un oscillatore a cristallo al quarzo a 2 e 4 pin.

Quello che so: la corrente viene applicata e il cristallo oscilla per fornire un segnale oscillante.

Cosa voglio sapere: in che modo la vibrazione provoca una corrente oscillante? In cosa differiscono i cristalli a 2 / 4pin? Infine, perché un pin può funzionare da solo e un pin ha bisogno di condensatori.

I dispositivi con due pin non sono oscillatori, sono risonatori (cristalli), che possono essere utilizzati in un circuito oscillatore (come un Pierce oscillato r), e se usati con il circuito corretto oscilleranno alla (o vicino) frequenza contrassegnata . Il circuito dell'oscillatore Pierce, mostrato di seguito, utilizza due condensatori (condensatori di carico, C1 / C2), il cristallo (X1) e un amplificatore (U1).

I dispositivi a quattro pin sono circuiti completi che includono un risonatore e un circuito attivo che oscilla. Richiedono potenza e producono un'onda quadra o un'onda sinusoidale in uscita (o vicino) alla frequenza contrassegnata.

Ci sono anche risonatori (ceramici) con tre pin che agiscono come cristalli con condensatori.

Il modo in cui funzionano i cristalli (e i risuonatori ceramici) è che sono fatti di un materiale piezoelettrico che produce una tensione quando sono deformati nella forma. Una tensione applicata provocherà una distorsione della forma. Il cristallo è realizzato in una forma che risuonerà fisicamente (come un diapason o un piatto) alla frequenza desiderata. Ciò significa che il cristallo agirà come un filtro: quando applichi la frequenza desiderata, apparirà come un'impedenza elevata una volta che vibrerà, e per frequenze un po 'diverse, sarà più perdita. Quando viene inserito nel circuito di retroazione di un amplificatore, l'oscillazione sarà autosufficiente. Molto di più, e un po 'di matematica, qui .

Se pensi a un cristallo come a una piccola campana, è facile vedere come, se lo colpissi con un piccolo martello, suonerebbe con un tono puro proprio come farebbe una campana grande se colpissi la campana grande con una piccola martello.

Questo è esattamente ciò che fa un cristallo, ma il trucco è che è fatto di materiale piezoelettrico che produce elettricità quando lo colpisci e cambia forma quando lo colpisci con l'elettricità.

Per far sì che produca continuamente quel suono puro simile a una campana, è collegato attraverso un amplificatore che funziona proprio come qualcuno che ti spinge su un'altalena in modo che quando si arriva a un po 'oltre il picco di un'altalena ti darebbero una spinta a assicurati di tornare per il prossimo.

La natura piezoelettrica del cristallo fa sì che cambi forma quando l'uscita dell'amplificatore "lo spinge" con un segnale elettrico, e quindi quando l'amplificatore lascia andare, il cristallo ritorna e genera il proprio segnale che dice "spingimi" e invia all'ingresso dell'amplificatore al momento giusto affinché l'amplificatore generi un'altra spinta e rigeneri il ciclo, per sempre.

Quindi cosa fa oscillare il cristallo?

Rumore.

C'è rumore dappertutto, ed è come milioni di minuscoli martelli che colpiscono tutto tutto il tempo.

Parte di quel rumore colpisce il cristallo, e quando è collegato all'amplificatore e inizia a suonare un po 'dai colpi di rumore, l'amplificatore riceve il segnale elettrico dal tono di chiamata fisico del cristallo (frequenza), lo costruisce e lo invia ritorno al cristallo. Ciò rende il cristallo che cambia forma ancora di più, inviando un segnale più grande all'amplificatore quando la forma del cristallo ritorna, fino a quando il sistema oscilla continuamente ed è stabile.

Un cristallo non oscilla da solo. Non basta semplicemente applicare potenza e ottenere oscillazioni. Pensa a un cristallo come a un filtro di frequenza molto preciso e nitido. Lo metti nel percorso di feedback di un amplificatore nel modo giusto, e fa oscillare il circuito alla frequenza di risonanza del cristallo. È il circuito che causa le oscillazioni. Il cristallo uccide tutte le frequenze tranne quella per cui è sintonizzato, il che consente solo un guadagno globale del circuito sufficiente a far oscillare il circuito alla frequenza del cristallo.

I cristalli al di sotto della loro frequenza di risonanza sembrano per lo più capacitivi. Al di sopra della loro frequenza di risonanza, appaiono per lo più induttivi. Alla loro frequenza di risonanza, sembrano per lo più resistivi.

Disegna nuovamente l'oscillatore Pierce tre volte, sostituendo il cristallo con uno di quei componenti. Potrebbe aiutarti a capire come funziona.

I cristalli a risonanza parallela sono in realtà specificati un po 'sotto la frequenza fondamentale. Questo fa apparire il cristallo un po 'capacitivo alla frequenza specificata. La capacità aggiuntiva aggiunge un po 'di sfasamento aggiuntivo per aiutare l'oscillatore ad avviarsi e funzionare.

L'ingresso dell'amplificatore vede un segnale più grande vicino al fondamentale del cristallo (resistivo, in genere inferiore a 100 Ohm ESR). I segnali di bassa frequenza più piccoli vengono diminuiti o bloccati, quindi un segnale alla frequenza fondamentale diventa più forte (dopo essere stato amplificato) e domina.

Spingi qualcuno su un'altalena. Non importa quanto duramente ci provi, l'altalena si sposterà avanti e indietro solo con una certa frequenza fondamentale.

Immagina un cristallo come la superficie dell'acqua. Ora invia increspature (onde) su quella superficie. Le increspature spostano la superficie su e giù, piegando efficacemente la superficie. Anche il cristallo si piega mentre vibra.

La flessione può essere causata dall'applicazione di un campo elettrico a un cristallo di quarzo, ma anche la stessa flessione crea un campo elettrico opposto nel reticolo cristallino. A riposo, queste forze sono bilanciate e il cristallo non ha carica.

Quale è più facile da vibrare con la mano: un righello da 12x1 pollici o un foglio di compensato da 6x4 piedi? Ovviamente il righello più piccolo può essere vibrato più velocemente!

I cristalli sono gli stessi. Le loro dimensioni determinano la loro frequenza di risonanza; cristalli più piccoli e / o più sottili vibrano più velocemente. Questo è anche ciò che limita la frequenza fondamentale di un cristallo: i cristalli diventano troppo piccoli o troppo sottili per essere elaborati con precisione mediante lavorazione meccanica o attacco chimico a frequenze più elevate.

A frequenze veramente basse, i cristalli diventano così grandi o spessi che ci vuole troppo potere per farli piegare; quindi un design a diapason viene utilizzato per cristalli di temporizzazione a bassa frequenza 32,768 kHz.

I cristalli possono effettivamente oscillare a più di una frequenza. Queste sono le sfumature a multipli del fondamentale, ma tendono ad essere più deboli del fondamentale. È possibile progettare un circuito per far oscillare un cristallo in corrispondenza di una sfumatura, in genere la terza o la quinta. In genere i cristalli sopra i 40 MHz sono progettati per il 3 ° o il 5 ° tono, non fondamentali, quindi leggi attentamente le specifiche prima dell'acquisto!