Oscillatori al Quarzo

Oscillatori al quarzo

Un oscillatore è predisposto per funzionare ad una certa frequenza di oscillazione, ma, con il tempo, invece varia in modo anche considerevole. Questo dipende da vari fattori, come la temperatura e l’invecchiamento dei componenti.

La stabilità di frequenza rappresenta una misura dell’oscillatore a discostarsi il meno possibile dalla frequenza nominale per cui è stato progettato, in un intervallo di tempo più lungo possibile.

Se la frequenza varia vuol dire che, ad esempio, lo sfasamento non è più nullo, come invece dovrebbe essere per le condizioni di Barkhausen.

Lo sfasamento introdotto dall’amplificatore, per esempio, varia più o meno lentamente per i motivi più disparati. Questo induce la rete di reazione a compensare questo sfasamento e di conseguenza a variazione anche la frequenza di oscillazione.

Ad esempio, immaginiamo che l’amplificatore introduca uno sfasamento di – 25 gradi. Di conseguenza, la rete di reazione deve introdurre uno sfasamento di +25 gradi in anticipo per far sì che lo sfasamento complessivo continui a soddisfare la condizione di Barkhausen sulla fase. Questo sfasamento comporta che la frequenza di oscillazione sia , ad esempio, di 12Hz.

Supponendo che nel corso del tempo lo sfasamento procurato dall’amplificatore vari da -25 a -55 , allora la rete reattiva deve sfasare di 30 gradi in anticipo, portando la frequenza di oscillazione a 8.19 Hz. La frequenza ha avuto un cambiamento importante, di circa 4 Hz.

Per risolvere questa problematica si dovrebbe avere rete di reazione che riesca a compensare la variazione di fase con una variazione minima in frequenza. Ad esempio, un blocco di reazione che riesce a passare da una fase di -25 a -55 con una variazione di frequenza  di soli 0,1Hz è migliore rispetto alla precedente.

Riassumendo, è desiderabile avere un oscillatore con dei componenti che ad una ampia variazione di fase portano una piccola variazione della frequenza. In altri termini, più è grande

 e  meno varierà la frequenza al variare della fase.

O ancora, più è grande  

  e più è stabile alla frequenza di oscillazione.

Realizzare reti con una risposta in fase molto ripida nei pressi della frequenza di funzionamento porta ad avere oscillatori che si mantengono stabili nel tempo e molto più a lungo.

Gli oscillatori con gruppi RLC, non riescono ad avere una stabilità in frequenza molto elevata, e quindi non possono essere usati in molte applicazioni nelle quali la frequenza dev’essere perfettamente stabile.

In questi casi si possono usare gli oscillatori al quarzo. Essi permettono di avere una frequenza molto precisa e stabile nel tempo, immune agli sbalzi di temperatura. Si usano ad esempio per gli orologi al quarzo, in cui il segnale di clock viene generato da un oscillatore al quarzo.

Il quarzo è un materiale piezoelettrico.

La piezoelettricità è  la proprietà di alcuni materiali cristallini di generare una differenza di potenziale  sulle sue facce, quando sono soggetti a una deformazione meccanica

Il fenomeno della piezoelettricità può essere invertito. Cioè applicando tra A e B una d.d.p., il cristallo si deforma. Quando viene tolta, il quarzo ritorna alla forma originaria.

Il quarzo quindi trasforma continuamente energia elettrica in meccanica, con pochissime perdite di energia.

La frequenza del segnale elettrico è dipende dalle dimensioni fisiche del cristallo e può variare da alcuni KHz alle centinaia di MHz.

Il simbolo del quarzo è :

Inoltre, ha un circuito equivalente costituito da due condensatori, una resistenza e una induttanza:

L’impedenza del circuito elettrico equivalente del cristallo è:

Si nota che, al variare della frequenza, varia anche la reattanza:

• A frequenze basse, nel ramo con la serie LC prevale la reattanza capacitiva e di conseguenza la reattanza ha un comportamento capacitivo, tanto più elevata quanto più piccola è la frequenza
• All’aumentare della frequenza, l’induttanza diventa sempre più predominante, mentre la reattanza capacitiva decresce, fino ad avere:

Di conseguenza, la reattanza totale si annulla. Questo avviene alla pulsazione,

detta pulsazione di risonanza serie:

• Superata tale frequenza, nel ramo LC inizia ad aumentare l’induttanza e, ad una certa frequenza, si ha che

Ricavando la pulsazione

 Omega p è detta pulsazione di risonanza parallelo e per questa pulsazione, l’impedenza è nulla. Nell’intervallo tra la pulsazione di risonanza parallela e in serie (detta zona induttiva) invece il valore della reattanza è elevato.

Graficamente si ha:

Notare che omega P  e omegaS  sono vicinissime e, la reattanza totale, nell’intervallo omegaP e omegaS , è positiva (quindi simile a una induttanza); viceversa, all’esterno, è negativo (quindi simile a una capacità).

Il quarzo viene fatto lavorare spesso nella zona induttiva, quindi con un comportamento simile ad una induttanza.

Si nota che, in questa zona, la reattanza varia bruscamente di fronte a piccole variazioni della frequenza.

Si hanno varie versioni di oscillatori al quarzo. Ad esempio, se usiamo il quarzo al posto dell’induttanza nell’oscillatore di Colpitts si ha

riusciamo a compensare grandi variazioni di fase con piccole variazioni della frequenza, garantendo così una grande stabilità di frequenza.

Ovviamente per avere ciò si deve avere la frequenza di oscillazione compresa nella zona induttiva.

Video Lezione Oscillatori Al Quarzo