Considerazioni sulla progettazione dei circuiti oscillatori

La frequenza esatta a cui un oscillatore opererà dipende dai cambiamenti nell'angolo di fase del loop all'interno del circuito dell'oscillatore. Qualsiasi modifica netta dell'angolo di fase comporterà un cambiamento nella frequenza di uscita. Poiché l'obiettivo usuale di un oscillatore è fornire una frequenza essenzialmente indipendente dalle variabili, è necessario adottare qualche metodo per ridurre la modifica netta della fase. Il metodo concepibilmente migliore e certamente il più comune per minimizzare lo spostamento netto della fase è utilizzare un'unità a cristallo di quarzo nel loop di feedback.

L'impedenza del cristallo di quarzo cambia in modo così drastico con le variazioni della frequenza applicata, che tutti gli altri componenti del circuito possono essere considerati essenzialmente come aventi una reattanza continua. Di conseguenza, quando un'unità di cristallo viene utilizzata nel circuito di retroazione di un oscillatore, la frequenza dell'unità di cristallo si regolerà da sola in modo tale che l'unità di cristallo presenti una reattanza che soddisfi i requisiti di fase del circuito di retroazione. Una rappresentazione della reattanza rispetto alla frequenza di un'unità di cristallo di quarzo è mostrata di seguito.

Come evidente dalla Figura B, l'unità del cristallo di quarzo presenta due frequenze di fase zero. La prima, o la minore delle due, è la frequenza di risonanza in serie, comunemente abbreviata come Fs. La seconda, o la maggiore delle due frequenze di fase zero, è la frequenza corrispondente, o di anti-risonanza, comunemente abbreviata come Fa. Sia la frequenza di risonanza in serie che quella di anti-risonanza appaiono come resistive in un circuito oscillatore. Nel punto di risonanza in serie, la resistenza è minima e il flusso di corrente è massimo. Nel punto parallelo, la resistenza è massima e il flusso di corrente è marginale. Di conseguenza, la frequenza di risonanza in parallelo, Fa, non dovrebbe mai essere utilizzata come la frequenza principale di un circuito oscillatore.

Un'unità a cristallo di quarzo può essere fatta oscillare in qualsiasi punto lungo la linea tra i punti di risonanza serie e parallelo mediante l'inclusione di componenti reattivi (di solito condensatori) nel circuito di retroazione dell'oscillatore. Pertanto, la frequenza risultante dall'aggiunta di capacità è superiore alla frequenza di risonanza serie; viene solitamente chiamata frequenza parallelo, tuttavia è inferiore alla reale frequenza parallelo.

Proprio come ci sono due frequenze di fase zero associate a un'unità di cristallo di quarzo, ci sono due circuiti oscillatori principali. Questi circuiti sono generalmente definiti dal tipo di unità di cristallo da utilizzare, ovvero "in serie" o "in parallelo".

Circuito in Serie: Un circuito oscillatore risonante in serie utilizza un cristallo progettato per operare alla sua frequenza naturale di risonanza in serie. In un circuito di questo tipo, non ci saranno condensatori nel loop di feedback. I circuiti oscillatori risonanti in serie sono principalmente utilizzati per il loro numero minimo di componenti. Tuttavia, questi circuiti possono fornire percorsi di feedback alternativi al di fuori dell'unità cristallo. Pertanto, in caso di guasto del cristallo, un circuito di questo tipo può continuare ad oscillare a una frequenza soggettiva. Di seguito è fornita una rappresentazione di un semplice circuito oscillatore risonante in serie.

Come evidente dalla Figura C, un circuito oscillatore risonante in serie non fornisce alcun mezzo per regolare la frequenza di uscita, nel caso sia necessaria una modifica. Nel circuito sopra riportato, la resistenza R1 viene utilizzata per polarizzare l'inverter e farlo funzionare nella sua regione lineare. Questa resistenza fornisce anche un feedback negativo all'inverter. Il condensatore C1 è un condensatore di collegamento, utilizzato per bloccare la tensione continua (DC). La resistenza R2 viene usata per polarizzare l'unità cristallo; pertanto, bisogna fare attenzione a non scegliere un valore troppo basso. L'unità cristallo Y1 è un'unità cristallo risonante in serie, specificata per funzionare alla frequenza preferita e con la tolleranza e la stabilità di frequenza desiderate.

Circuito Parallelo: Un circuito oscillatore risonante parallelo utilizza un'unità cristallo progettata per funzionare con un valore specifico di capacità di carico. Questo genererà un risultato in cui la frequenza del cristallo è superiore alla frequenza di risonanza serie ma inferiore alla vera frequenza di risonanza parallela. Questi circuiti non offrono percorsi alternativi oltre a quello attraverso l'unità cristallo per completare il loop di feedback. In caso di guasto dell'unità cristallo, il circuito non continuerà a oscillare. Di seguito è fornita una descrizione semplice di un circuito risonante parallelo.

Questo circuito utilizza un singolo inverter, con due condensatori nel circuito di feedback. Questi condensatori comprendono la "capacità di carico" e, insieme al cristallo, generano la frequenza a cui l'oscillatore funzionerà. Quando il valore della capacità di carico viene modificato, cambia anche la frequenza di uscita dell'oscillatore. Pertanto, questo circuito offre un mezzo adeguato per regolare la frequenza di uscita, qualora fosse necessaria una regolazione.

Le resistenze R1 e R2 svolgono le stesse funzioni descritte per il circuito risonante in serie mostrato nella Figura C. I due condensatori di carico, CL1 e CL2, contribuiscono a stabilire la frequenza alla quale il cristallo e quindi l'oscillatore funzioneranno. L'unità cristallina Y1 è un cristallo risonante in parallelo, progettato per operare con un valore specifico di capacità di carico, alla frequenza preferita e con la tolleranza e stabilità di frequenza desiderate.

Si fa riferimento a una "capacità di carico specificata". La capacità di carico può essere descritta come "il valore della capacità, misurato o calcolato, presente nel circuito oscillatore, attraverso i punti di collegamento del cristallo". Nel caso di un circuito risonante in serie, non c'è capacità tra i punti di collegamento dell'unità cristallo e, quindi, non è necessario indicare la capacità di carico per un'unità cristallo risonante in serie. Nel caso di un circuito oscillatore risonante in parallelo, la capacità è presente. Poiché una misura diretta di questa capacità non è ragionevole, è spesso necessario calcolarne il valore. Il calcolo del valore della capacità di carico viene effettuato con la seguente equazione:

Dove CL1 e CL2 sono i condensatori di carico e Cs è la capacità vagante del circuito, solitamente compresa tra 3,0 e 5,0 pF.

Livello di Drive: Il “livello di drive” è la potenza dissipata dall'unità cristallo durante il funzionamento. La potenza è una funzione della corrente applicata ed è solitamente espressa in termini di Milliwatt o Microwatt. Le unità cristallo sono specificate con determinati valori massimi di livello di drive, che variano in funzione della frequenza e della modalità di funzionamento. È consigliabile consultare il fornitore dell'unità cristallo per conoscere il valore massimo del livello di drive consentito per una particolare unità cristallo. Superare il livello di drive massimo per una determinata unità cristallo può provocare un funzionamento instabile, un aumento dei tassi di invecchiamento e, in alcuni casi, una distruzione catastrofica. Il livello di drive può essere calcolato con la seguente equazione:

Dove "I" è la corrente efficace attraverso l'unità cristallo e R è il valore massimo della resistenza della specifica unità cristallo in questione. L'equazione (2) è semplicemente la “legge di Ohm” per la potenza.

La misurazione del livello effettivo di drive in un circuito oscillatore operativo può essere effettuata inserendo temporaneamente un resistore in serie con l'unità cristallo. Il resistore deve avere lo stesso valore ohmico dell'unità cristallo. La caduta di tensione attraverso il resistore può quindi essere letta, e la corrente e la dissipazione di potenza calcolate. Il resistore deve poi essere rimosso. Come alternativa per misurare il livello di drive, può essere utilizzata una sonda di corrente sul conduttore di uscita dell'unità cristallo, spazio permettendo. Il metodo è descritto di seguito nella Figura 1.

Frequenza vs Modalità: La frequenza di un'unità a cristallo di quarzo è limitata dalle dimensioni fisiche dell'elemento di quarzo vibrante. In alcuni casi, le dimensioni limitanti sono la lunghezza e la larghezza. Nel caso dell'unità a cristallo più popolare, l'unità a cristallo con taglio "AT", la dimensione limitante è lo spessore dell'elemento di quarzo vibrante. Quando lo spessore diminuisce, la frequenza aumenta. A un certo punto, di solito intorno a 30,000 MHz, lo spessore della piastra di quarzo diventa troppo sottile per essere lavorata.

Se si desidera sviluppare un oscillatore a una frequenza superiore alla frequenza limite, è necessario sfruttare il fatto che le unità di cristallo di quarzo possono oscillare a multipli interi dispari della loro frequenza "fondamentale". Possiamo definire la frequenza "fondamentale" come "la frequenza che si verifica naturalmente in un determinato insieme di dimensioni meccaniche". Pertanto, se un'unità di cristallo ha una frequenza fondamentale di 10,0 MHz, può essere fatta oscillare anche a 3, 5, 7, ecc. volte la frequenza fondamentale. Vale a dire, l'unità oscillerà a 30,0, 50,0, 70,0, ecc. MHz.

Questi multipli della frequenza fondamentale sono chiamati "armoniche" e vengono identificati tramite l'intero di moltiplicazione, come nella "terza armonica", la "quinta armonica", ecc. Quando è necessario utilizzare una frequenza di armonica, l'unità cristallo deve essere specificata per operare alla frequenza desiderata e sull'armonica desiderata. Non si dovrebbe mai tentare di ordinare un cristallo a modalità fondamentale e poi farlo operare a una frequenza di armonica. Questo perché i processi di produzione dei cristalli differiscono per le unità cristallo fondamentali e armoniche.

In molti casi, le caratteristiche del circuito integrato utilizzato in un particolare progetto di oscillatore determinano che la frequenza fondamentale dell'unità cristallina venga soppressa per garantire il funzionamento alla frequenza desiderata e sull'overtone desiderato. In tali casi, è generalmente necessario modificare il circuito dell'oscillatore. Un metodo di modifica consiste nell'aggiungere un circuito "serbatoio", composto da un induttore e un condensatore. Queste modifiche sono illustrate nelle Figure F e G.

In entrambi i casi, il circuito del serbatoio è sintonizzato per risuonare a una frequenza compresa tra la fondamentale e la frequenza desiderata. Questo fa sì che la frequenza indesiderata venga deviata a terra, lasciando presente all'uscita dell'oscillatore solo la frequenza desiderata.

Considerazioni di Progettazione: Per un buon funzionamento di un circuito oscillatore, devono essere seguite alcune considerazioni di progettazione. In tutti i casi, si raccomanda di evitare tracce parallele per ridurre la capacità parassita del circuito. Tutte le tracce devono essere mantenute il più corte possibile e i componenti devono essere isolati per prevenire il fenomeno di accoppiamento. Devono essere utilizzati piani di massa per isolare i segnali.

Resistenza Negativa: Per ottenere prestazioni ottimali, un circuito oscillatore deve essere progettato in modo tale da aumentare la "resistenza negativa", che a volte viene definita come "tolleranza di oscillazione". La valutazione della quantità di resistenza negativa in un determinato circuito si effettua installando temporaneamente un resistore variabile in serie con l'unità cristallo. Il resistore dovrebbe essere inizialmente impostato al valore più basso, preferibilmente prossimo a zero ohm. L'oscillatore viene quindi avviato e l'uscita monitorata su un oscilloscopio. Il resistore variabile viene poi regolato per aumentare la resistenza mentre l'uscita viene continuamente monitorata. A un certo valore di resistenza, l'oscillazione si interrompe. A questo punto, il resistore variabile viene misurato per determinare il valore in ohm al quale l'oscillazione si è arrestata. A questo valore, deve essere aggiunta la resistenza massima dell'unità cristallo, come specificato dal fornitore. La resistenza in ohm totale viene considerata la "resistenza negativa" o la "tolleranza di oscillazione". Per un funzionamento affidabile e efficiente del circuito, si raccomanda che la resistenza negativa sia almeno cinque volte il valore massimo di resistenza specificato per l'unità cristallo.

I valori della resistenza negativa superiori a cinque volte la resistenza massima dell'unità cristallo sono ancora migliori. Poiché la resistenza negativa tende a diminuire a temperature elevate, si raccomanda di eseguire il test alla temperatura più alta del range operativo. Vedere la procedura speciale illustrata di seguito.

Procedure per la Misurazione della Resistenza Negativa