Astabile al quarzo

Multivibratori astabili al quarzo.
Quando e’ necessario un elevato grado di stabilita’ in frequenza, ad esempio nei
generatori di clock per microcontrollori o microprocessori , ma anche nella
generazione delle portanti dei trasmettitori, e’ opportuno usare come elemento
stabilizzante il cristallo piezoelettrico (quarzo).
Si ricorda che la stabilita’ in frequenza e’ definita come variazione relativa di
frequenza in rapporto alla frequenza nominale cioe:
[ppm]
Dove per ppm si intendono ‘parti per milione’. Ad esempio se un oscillatore con
frequenza nominale fo=1MHz ha un campo di oscillazione che va da 999900Hz a
1000100 Hz, esso ha una
stabilita
e in
percentuale:
.
I cristalli di quarzo (SiO2) per uso elettronico sono costituiti da una sottile lamina di
quarzo con un rivestimento metallico su due facce e due elettrodi per i
collegamenti. Se sottoposti a deformazione meccanica generano tra le facce
una d.d.p. e viceversa, l’applicazione di una tensione produce deformazione
meccaniche del cristallo(effetto piezoelettrico inverso).
Se al quarzo e’ applicata una tensione variabile, il cristallo vibra con la stessa
frequenza della tensione applicata; la massima vibrazione si verifica in
corrispondenza della frequenza di risonanza
caratteristica del quarzo (o
frequenza naturale di vibrazione) ed e’ legata alle dimensioni fisiche e alla direzione
del taglio per realizzare le lamine.
Il simbolo del quarzo e’ il seguente:
XTAL
e il suo circuito equivalente elettrico serie-parallelo di tipo RLC e’ sotto
rappresentato ed e’ relativo ad un quarzo da 2Mhz.
C1, L1, R1 dipendono rispettivamente dalla massa, dalla costante elastica del
materiale e dagli atriti interni; sono cioe’ legati alle proprieta’meccaniche e dal taglio
della lamina. C2 e’ quella elettrostatica dei due elettrodi >> C1.
E’ possibile ricavare due frequenze di risonanza,
quella serie
Si deduce che
dove
Inoltre per
La capacita’ del quarzo di stabilizzare la frequenza e’ legata alla
elevatissima selettivita’ e il coefficiente di qualita’
e’ molto elevato, fino
a
Circuito TTL al quarzo:
Le due porte lavorano in zona di transizione, cioe’ come amplificatori a
guadagno
, e cio’ e’ dovuto all’azione delle resistenze R1 ed R3 (R2 R4) che
portano la Vi=Vt=1,4 V; il condensatore Ca funge da accoppiatore fra le due porte
collegate in retroazione positiva e blocca la continua. L’oscillazione puo’ avvenire
solo per la frequenza per la quale e’ verificata la condizione di Barkhausen: |Aβ|
.
Ogni porta sfasa di 180° per cui lo sfasamento totale e’ 360° (arg(Aβ)=0°) ; si deduce
che il sistema, per innescare, non deve introdurre sfasamento e cio’ si ha solo
per
cioe’ per quelle frequenza per cui il
comportamento e’ puramente resistivo. Per
la R1 e’ di basso valore,
e cio’ consente quindi di avere |Aβ|>1, necessaria per l’innesco.
L’oscillatore e’ di tipo risonante serie.
Qui sotto riporto altre configurazioni di astabili al quarzo: