Ultima edición el 16 septiembre, 2021 por JORGE CABRERA BERRÍOS
Los osciladores de cristal funcionan según el principio del efecto piezoeléctrico inverso en el que un voltaje alterno aplicado a través de las superficies del cristal hace que vibre a su frecuencia natural. Son estas vibraciones las que eventualmente se convierten en oscilaciones.
Estos osciladores generalmente están hechos de cristal de cuarzo, aunque otras sustancias como la sal de Rochelle y la turmalina exhiben el efecto piezoeléctrico porque el cuarzo es económico, está disponible naturalmente y es mecánicamente fuerte en comparación con otros.
En los osciladores de cristal, el cristal se corta y monta adecuadamente entre dos placas metálicas como se muestra en la Figura 1a, cuyo equivalente eléctrico se muestra en la Figura 1b. En realidad, el cristal se comporta como un circuito RLC en serie , formado por los componentes
- Una resistencia de bajo valor R S
- Un inductor de gran valor L S
- Un condensador de pequeño valor C S
que estará en paralelo con la capacitancia de sus electrodos C p .
Debido a la presencia de C p , el cristal resonará en dos frecuencias diferentes, a saber,
- Series Resonant Frecuencia, f s que se produce cuando la serie de capacitancia C S resuena con la serie de inductancia L S . En esta etapa, la impedancia del cristal será la menor y, por lo tanto, la cantidad de retroalimentación será la mayor. La expresión matemática para el mismo se da como
- Frecuencia de resonancia paralela, f p que se muestra cuando la reactancia de la rama L S C S es igual a la reactancia del condensador paralelo C p, es decir, L S y C S resuenan con C p . En este instante, la impedancia del cristal será la más alta y, por lo tanto, la retroalimentación será la menor. Matemáticamente se puede dar como
El comportamiento del condensador será capacitivo tanto por debajo de f S como por encima de f p . Sin embargo, para las frecuencias que se encuentran entre f S y por encima de f p , el comportamiento del cristal será inductivo. Además, cuando la frecuencia se vuelve igual a la frecuencia resonante paralela f p , entonces la interacción entre L S y C p formaría un circuito de tanque LC sintonizado en paralelo. Por lo tanto, un cristal puede verse como una combinación de circuitos de resonancia sintonizados en serie y en paralelo debido a los cuales es necesario sintonizar el circuito para cualquiera de estos dos. Además, cabe señalar que f p será mayor que f sy la cercanía entre los dos se decidirá por el corte y las dimensiones del cristal en uso.
Los osciladores de cristal se pueden diseñar conectando el cristal al circuito de modo que ofrezca baja impedancia cuando se opere en modo resonante en serie (Figura 2a) y alta impedancia cuando opere en modo antirresonante o resonante paralelo (Figura 2b). 
En los circuitos mostrados, las resistencias R 1 y R 2 forman la red divisora de voltaje mientras que la resistencia emisora R E estabiliza el circuito. Además, C E (Figura 2a) actúa como un condensador de derivación de CA, mientras que el condensador de acoplamiento C C (Figura 2a) se utiliza para bloquear la propagación de la señal de CC entre el colector y los terminales de la base.
A continuación, los condensadores C 1 y C 2 forman la red capacitiva del divisor de voltaje en el caso de la Figura 2b. Además, también hay una bobina de radiofrecuencia (RFC) en los circuitos (tanto en la Figura 2a como en la 2b) que ofrece una doble ventaja, ya que proporciona incluso la polarización de CC y libera la salida del circuito de verse afectada por la señal de CA en las líneas eléctricas.
Al suministrar la potencia al oscilador , la amplitud de las oscilaciones en el circuito aumenta hasta que se alcanza un punto en el que las no linealidades en el amplificador reducen la ganancia del bucle a la unidad.
A continuación, al alcanzar el estado estable, el cristal en el circuito de retroalimentación influye mucho en la frecuencia del circuito operativo. Además, aquí, la frecuencia se autoajustará para facilitar que el cristal presente una reactancia al circuito de manera que se cumpla el requisito de fase de Barkhausen.
En general, la frecuencia de los osciladores de cristal se fijará para que sea la frecuencia fundamental o característica del cristal, que se decidirá por el tamaño físico y la forma del cristal.
Sin embargo, si el cristal no es paralelo o tiene un grosor no uniforme, entonces puede resonar en múltiples frecuencias, dando como resultado armónicos.
Además, los osciladores de cristal se pueden sintonizar con armónicos pares o impares de la frecuencia fundamental , que se denominan osciladores armónicos y armónicos, respectivamente.
Un ejemplo de esto es el caso en el que la frecuencia de resonancia paralela del cristal se reduce o aumenta al agregar un condensador o un inductor a través del cristal, respectivamente.
El rango operativo típico de los osciladores de cristal es de 40 KHz a 100 MHz, en el que los osciladores de baja frecuencia se diseñan con OpAmps, mientras que los de alta frecuencia se diseñan con transistores ( BJT o FET ).
La frecuencia de las oscilaciones generadas por el circuito se decide por la frecuencia de resonancia en serie del cristal y no se verá afectada por las variaciones en el voltaje de suministro , los parámetros del transistor, etc. Como resultado, los osciladores de cristal exhiben un factor Q alto con una excelente estabilidad de frecuencia. , lo que los hace más adecuados para aplicaciones de alta frecuencia.
Sin embargo, se debe tener cuidado de impulsar el cristal únicamente con la potencia óptima. Esto se debe a que, si se entrega demasiada energía al cristal, entonces las resonancias parásitas podrían excitarse en el cristal, lo que conduce a la frecuencia de resonancia inestable.
Además, incluso su forma de onda de salida podría distorsionarse debido a la degradación de su rendimiento de ruido de fase. Además, incluso puede resultar en la destrucción del dispositivo (cristal) debido al sobrecalentamiento.
Los osciladores de cristal son de tamaño compacto y de bajo costo debido a que se utilizan ampliamente en sistemas de guerra electrónica, sistemas de comunicación, sistemas de guía, microprocesadores, microcontroladores, sistemas de seguimiento espacial, instrumentos de medición, dispositivos médicos, computadoras, sistemas digitales, instrumentación, sistemas de bucle de bloqueo de fase, módems, sensores , unidades de disco, sistemas marinos, telecomunicaciones, sistemas de control de motores, relojes, sistemas de posicionamiento global (GPS), sistemas de televisión por cable, cámaras de video, juguetes, videojuegos, sistemas de radio, teléfonos celulares, temporizadores etc.
