Parleremo adesso degli oscillatori sinosuidali con cristalli di quarzo molto utilizzati nei trasmettitori radio. Quando è richiesta un’elevata stabilità di frequenza i semplici oscillatori LC non sono in grado di mantenere una frequenza costante, poiché sono soggetti a deriva. Questa deriva può essere provocata da lievi variazioni della tensione di alimentazione e dai cambiamenti di temperatura.
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Con gli alimentatori stabilizzati le variazioni della tensione di elimentazione sono attenuabili, ma non completamente eliminate. Le variazioni di temperatura non sono spesso controllabili e dipendono da condizioni esterne al circuito elettronico.
Indice
Stabilità in frequenza di un ciruito oscillatore
Quindi le variazioni della tensione di alimentazione e della temperatura in cui si trova il circuito oscillatore possono causare delle variazioni significative della frequenza dell’oscillatore. Anche gli effetti delle resistenze e delle capacità parassite presenti nel circuito possono far sì che l’oscillatore lavori a una frequenza leggermente diversa da quella teorica calcolata considerando esclusivamente i valori di L e C. Nella maggior parte dei casi, tali inconvenienti possono essere ridotti aumentando il più possibile il fattore di qualità Q del circuito risonante. Tuttavia, con induttori e condensatori convenzionali è difficile superare fattori Q dell’ordine di alcune centinaia; al contrario, impiegando cristalli di quarzo è possibile ottenere fattori Q nettamente superiori a 10.000. Anche gli effetti delle resistenze e delle capacità parassite presenti nel circuito possono far sì che l’oscillatore lavori a una frequenza leggermente diversa da quella teorica calcolata considerando esclusivamente i valori di L e C. Nella maggior parte dei casi, tali inconvenienti possono essere ridotti aumentando il più possibile il fattore di qualità Q del circuito risonante. Tuttavia, con induttori e condensatori convenzionali è difficile superare fattori Q dell’ordine di alcune centinaia; al contrario, impiegando cristalli di quarzo è possibile ottenere fattori Q nettamente superiori a 10.000.
I cristalli di quarzo
I cristalli possono essere utilizzati per aumentare la stabilità della frequenza negli oscillatori RF come quelli di Hartley e Colpitts. Il cristallo può essere utilizzato sia in modalità parallela, ad esempio come induttore che opera a una frequenza tra ƒ 1 e ƒ 2 come parte del circuito sintonizzato risonante. Nell’oscillatore di Colpitts può essere controllato da un cristallo connessoin parallelo con C1 e in serie con C2 nel circuito risonante. Nell’oscillatore di Hartley il primo terminale del quarzo viene inserito tra L1 e L2, il secondo terminale viene connesso sull’emettitore del transistor. In entrambi gli oscillatori il cristallo agisce come un’impedenza bassa altamente selettiva in frequenza nel percorso di feedback.
Il componente elettronico
Il cristallo di quarzo è un dispositivo piezoelettrico il cui funzionamente può essere così riassunto:
- quando viene sottoposto a una deformazione meccanica, anche minima (come una lieve flessione), genera una differenza di potenziale ai suoi capi;
- viceversa, se viene applicata una tensione elettrica, il cristallo subisce una piccola deformazione.
Di conseguenza, l’applicazione di impulsi di tensione periodici provoca la flessione del cristallo, che a sua volta genera impulsi di tensione in fase con quelli applicati. Questo meccanismo di retroazione positiva rafforza il segnale e dà origine all’oscillazione. La frequenza alla quale avviene questo effetto di rinforzo coincide con la frequenza di risonanza del cristallo. Essa è determinata dalle sue dimensioni fisiche e dal tipo di taglio effettuato in relazione alla struttura atomica del materiale. Quando un cristallo di quarzo è tagliato e lavorato con precisione, esso risulta quasi perfettamente elastico: ciò implica che, una volta avviate, le oscillazioni si smorzano molto lentamente.
Caratteristiche elettriche di un cristallo di quarzo
Il circuito rappresenta il simbolo schematico di un cristallo di quarzo e il relativo circuito equivalente. È evidente come esso incorpori tutte le caratteristiche tipiche di un circuito risonante, ovvero induttanza (L), capacità (C) e resistenza (R). Per questo motivo, il cristallo può essere impiegato in sostituzione sia di un circuito risonante in serie sia di uno in parallelo. Il diagramma dell’impedenza (Z) in funzione della frequenza evidenzia due frequenze di risonanza, ƒ₁ e ƒ₂. Quando il cristallo opera in configurazione serie, esso presenta un’impedenza molto bassa alla frequenza ƒ₁; al contrario, in configurazione parallela mostra un’impedenza molto elevata alla frequenza ƒ₂. Nella pratica, tuttavia, a causa della larghezza di banda estremamente ridotta dovuta all’elevatissimo fattore di qualità Q del cristallo, queste due frequenze risultano così ravvicinate da poter essere considerate coincidenti per la maggior parte delle applicazioni.
Applicazioni nei circuiti oscillatori
Gli oscillatori a cristallo possono generare segnali di uscita sia sinusoidali sia a onda quadra su un intervallo di frequenze molto ampio. Generalmente va da 1 – 2 Mhz fino a diverse centinaia di Mhz. I cristalli di quarzo vengono realizzati per risuonare a frequenze ben definite, in funzione delle specifiche applicazioni; tuttavia, l’insieme delle frequenze utilizzabili può essere notevolmente ampliato mediante diverse tecniche. Una di queste è la divisione di frequenza, nella quale la frequenza di un oscillatore a cristallo viene ripetutamente divisa per 2 tramite divisori digitali, ottenendo così frequenze progressivamente più basse. Poiché eventuali piccoli errori di frequenza vengono ridotti dallo stesso processo di divisione, la frequenza finale risulta estremamente accurata. Inoltre, i cristalli possono essere fatti oscillare anche a multipli superiori della loro frequenza fondamentale. Tali multipli, detti overtones, possono essere selezionati mediante un circuito LC convenzionale. Combinando le tecniche di divisione di frequenza e di funzionamento in overtone, è possibile coprire un intervallo di frequenze cristalline molto più esteso.
Oscillatori a cristalli integrati
Nei circuiti elettronici moderni è sempre meno frequente l’impiego di oscillatori a cristallo realizzati con componenti discreti. Oggi sono ampiamente disponibili oscillatori a cristallo integrati già pronti all’uso. Sono reperibili sia oscillatori a onda quadra sia a onda sinusoidale. Si trovano sotto forma di moduli DIL (Dual In-Line) o SMT (Surface Mount Technology). Esso hanno un’ampia gamma di frequenze e caratteristiche elettriche. Negli oscillatori a onda sinusoidale destinati alle applicazioni di trasmissione radio, l’oscillatore costituisce direttamente la sorgente del segnale RF trasmesso. Di conseguenza, la precisione e la stabilità in frequenza risultano fondamentali. Le bande radio sono infatti generalmente congestionate da numerosi trasmettitori operanti in porzioni di spettro ben definite, per cui è essenziale che la frequenza di trasmissione rimanga stabile e non derivi, evitando interferenze con i canali adiacenti. Allo stesso modo, i ricevitori devono poter contare su frequenze di riferimento affidabili e ben note per una corretta sintonizzazione.
Molti oscillatori a cristallo sono in grado di mantenere la frequenza nominale entro poche parti per milione (ppm), tipicamente con variazioni comprese tra ±5 e ±50 Hz per ogni MHz della frequenza nominale. Tali prestazioni sono garantite su intervalli di temperatura generalmente compresi tra 0 e 70 °C per applicazioni consumer, e tra −55 e +85 °C per alcune applicazioni militari e aerospaziali.
Distorsione armonica
Un altro aspetto fondamentale è la bassissima distorsione armonica. In altre parole, l’oscillatore non deve generare componenti spettrali armoniche della frequenza nominale. Tutto questo darebbe luogo a emissioni indesiderate a frequenze aggiuntive. Per ridurre al minimo la distorsione armonica, l’onda sinusoidale prodotta deve essere il più possibile pura. A tal fine, sono disponibili oscillatori caratterizzati da una distorsione armonica totale (THD, Total Harmonic Distortion) estremamente ridotta, pari ad appena pochi punti percentuali della potenza della fondamentale.
Molti moduli oscillatori dispongono di soli tre terminali:
- alimentazione (+Vcc)
- massa (GND)
- uscita (OUT)
Alcuni includono pin aggiuntivi per funzioni di controllo. In genere, tali moduli sono in grado di pilotare carichi tipici da 50 Ω, fornendo un segnale di uscita compreso tra circa 500 mV e 1 V.
Poiché numerose caratteristiche di un oscillatore dipendono dalla temperatura, per le applicazioni più critiche vengono impiegati oscillatori a cristallo controllati in temperatura (OCXO, Oven-Controlled Crystal Oscillator). Questi dispositivi racchiudono il cristallo all’interno di un involucro riscaldato e regolato termostaticamente, così da mantenere la temperatura di funzionamento costante. Grazie a questa soluzione, è possibile limitare le variazioni di frequenza a valori tipicamente inferiori a una parte per milione e ridurre la distorsione armonica a meno dell’1%.
Conclusioni
Abbiamo visto in questo articolo il circuito oscillatore con il componente a cristallo di quarzo. Ricordiamo che abbiamo dedicato delle sezioni propedeutiche per questo argomento e che ci sono degli articoli articoli specifici sul funzionamento dei singoli componenti che caratterizzano i circuiti. Nella nostra sezione dedicata al Laboratorio di Elettrotecnica e di Elettronica ci sono articoli specifici sul funzionamento dei singoli componenti il Condensatore e l’Induttore.