¿Cuál es la capacidad de carga de un cristal de cuarzo?

Question

Me cuesta entender los principios de los osciladores de cristal piezoeléctricos.

He encontrado esta foto:

Entiendo que la "capacitancia de carga" es algo que tienes que conectar a un cristal. Entiendo que esto significa básicamente tener que conectar un condensador externo en paralelo al cristal. También entiendo el principio básico de la piezoelectricidad; el voltaje/campo eléctrico a través del cristal deformará físicamente el cristal, y la deformación también crea un campo eléctrico. Entonces, ¿por qué se necesita la capacidad de carga? Y si siempre se necesita y está arreglado, ¿por qué no está incluido en el paquete de cristal? ¿Es porque a veces necesitamos operarlo en modo serie en su lugar? En el diagrama de circuito equivalente, ya hay una capacitancia, Cp, en paralelo al brazo resonante en serie. ¿Por qué necesitamos aún más capacitancia en paralelo a eso?

En la imagen que proporcioné, hay una curva que muestra la impedancia del cristal con respecto a la frecuencia. ¿Por qué no aparece la capacitancia de carga en las fórmulas de las frecuencias resonantes?

Answer 1

Los cristales de cuarzo no funcionan en el vacío en el mundo real. Suelen estar conectados a un amplificador en una retroalimentación, por lo que están "cargados" con capacitancia de entrada y capacitancia de salida. Estas capacitancias no se pueden evitar. Sin embargo, si usted agrega estas tapas, la frecuencia de resonancia (más específicamente, un punto de frecuencia donde la retroalimentación proporcionada gira 180 grados en la ganancia 1, o lo que sea) será diferente de las fórmulas que usted enumeró.

Por lo tanto, la frecuencia real no puede especificarse sin conocer el valor de la carga. Y esta carga depende del diseño de la placa de circuito impreso (trazas/almohadillas) y de la capacitancia de los pines de los distintos circuitos integrados. Así que, en lugar de fabricar cristales para "aire" no especificado, los fabricantes fabrican los cristales para cierta carga predefinida, por ejemplo, "12 pF". La tarea del ingeniero de diseño del producto es satisfacer esta carga con condensadores externos, cuyo valor debe reducirse para las parásitas particulares de la placa y para la capacitancia particular de los pines del CI en uso.

Answer 2

Dentro de la caja de cristal (Co) aparece una capacitancia interna. Es la capacitancia entre las superficies del cristal, con el cuarzo como dieléctrico. Esta capacitancia se muestra en su circuito modelo de cristal como "Cp". Esta capacitancia aparece en paralelo con la externo capacitancia (Cp) que añade su circuito. La capacitancia parásita se incluye en Cp.

Cuando se ve que un cristal especifica una capacitancia de carga, generalmente se espera que se utilice en un circuito paralelo-resonante, donde la impedancia del cristal se eleva a un máximo, y el voltaje a través de sus terminales alcanza un pico en la frecuencia de operación deseada. La frecuencia de funcionamiento puede ajustarse variando la capacitancia paralela externa Cp.

A continuación se muestra la tensión a través de dos cristales idénticos. Para ambos, la capacitancia paralela interna es de 3,5 pf entre los terminales del cristal. El gráfico verde muestra la resonancia en paralelo a 4,5096 MHz de este cristal desnudo. Sería difícil hacer funcionar este cristal por encima de esta frecuencia.
El gráfico rojo muestra el mismo cristal cargado con un 12pf paralelo. Su resonancia en paralelo ha bajado a 4,5034 MHz.
Obsérvese que la resonancia en serie para ambos es de 4,5016 MHz. Operar por debajo de esta frecuencia sería difícil: se necesitaría una inductancia adicional en serie. Cuando se opera como un resonador en paralelo, se puede ajustar la frecuencia de funcionamiento en el rango de 4,5016 - 4,5096 MHz. añadiendo una Cp externa adecuada. Es una forma muy fácil y barata de ajustar la frecuencia.

Para un oscilador, se requiere un amplificador de sostenimiento. Es probable que añada algún desplazamiento de fase adicional que también afecte a la frecuencia. Un Cp ajustado puede compensar.

Answer 3

Este circuito proporciona la inversión, por lo que un simple inversor CMOS o un transistor bipolar puede ser suficiente como unidad de generación de energía

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab