La estabilidad de la frecuencia de un circuito oscilador alcanza uno de sus grados máximos gracias al empleo de cristales de cuarzo. En las aplicaciones en que es muy importante generar una serial de frecuencia exacta, bajo cualquier condición, la solución que se adapta normalmente es emplear un cristal. En este artículo se dan circuitos seleccionados con cris tales, para producir frecuencias de 50 kHz a 100 MHz, lo que constituye una excelente fuente de información para el proyectista.
Los cristales de cuarzo presentan propiedades piezoeléctricas acentuadas. Cuando son sometidos a una tensión eléctrica, sufren deformaciones mecánicas y viceversa. Si utilizamos un cristal de este tipo en un circuito de realimentación, como muestra la figura 1, este circuito tiende a oscilar en una frecuencia única, determinada justamente por sus caracteristicas mecânicas, o sea, dimensiones, corte, etc.
Como resultado de estas propiedades, los cristales de cuarzo constituyen elementos de control de frecuencia de los circuitos electrónicos, pudiendo ser usados en una amplia gama de frecuencias.
Con la utilización de un cristal en un oscilador, su frecuencia se mantiene dentro de valores fijos, determinados por el cristal con gran precisión.
En la figura 2 mostramos los diversos tipos de cortes que se pueden hacer en un cristal para aplicaciones electrónicas.
En la frecuencia de resonancia de un cristal, su impedancia está próxima a cero. En la figura 3 mostramos las curvas típicas de operación de un cristal y su circuito equivalente.
En la primera curva tenemos el punto en que ocurre la resonancia y el punto de ”antirresonancia". La separación entre estos dos puntos indica el factor "0” del cristal.
En la segunda curva tenemos los comportamientos de los cristales de diversos cortes, en función de la temperatura. Observamos que el corte GT es el más estable de los cuatro representados, con una estabilidad de alrededor de una parte por millión (ppm) en una gama de cien grados centígrados!
PEQUENAS ALTERACIONES DE FRECUENCIA
En principio, lo recomendable es que el cristal opere en su frecuencia fundamental. Empero, además de los cristales que pueden operar en frecuencias múltiples (sobretono), también existe la posibilidad de variar ligeramente la frecuencia de operación de un circuito que los use, con elementos externos.
En la figura 4 mostramos que la conexión de un variable o ajustable en serie con el cristal, o de RF, permite modificar ligeramente la frecuencia de oscilaciones del circuito.
Los circuitos que damos a continuación son prácticos y pueden ser usados como base de los más diversos proyectos. En algunos casos se pueden modificar las tensiones de alimentación, así como los resistores de polarización, sin perjudicar ei comportamiento final del oscilador.
CIRCUITOS PRACTICOS
1. Oscilador TTL de 500 kHz a 10 MHz
EI oscilador que muestra la figura 5 utiliza dos puertas NAND de las cuatro existentes en un integrado TTL 7400.
El cristal utilizado opera en la frecuencia fundamental y puede tener valores entre 500 kHz y 10 MHz.
EI trimmer CV permite ajustar el punto ideal de oscilación con mayor rendimiento para el circuito.
La alimentación debe hacerse con una tensión de 5 V y la señal obtenida en la salida es rectangular.
Este circuito puede ser usado como base de tiempo de instrumentos digitales, tales como frecuencímetros, contadores, cronómetros, etc.
2. Circuito TTL de 500 kHz a 10 MHz con “buffer" (amortiguador)
EI circuito presentado en la figura 6 es semejante al anterior, excepto por el hecho que las dos puertas NAND adicionales de un 7400 son usadas para proveer un aislamiento entre el oscilador y la salida, con una excitación de mayor potencia.
Las características de este circuito son las mismas que el anterior, excepto por el aislamiento de CC, dado por el capacitor de 100 pF de la salida. EI trimmer CV también sirve para calibrar el punto de funcionamiento, y resistores adicionales de polarización y desacoplamiento permiten mayor estabilidad.
La alimentación debe también hacerse con una tensión de 5 V.
3. Oscilador TTL de 500 kHz a 10 MHz con 7402
Este circuito difiere de los anteriores por utilizar el 7402, que consiste en 4 puertas NOR de dos entradas (figura 7).
El cristal utilizado también funciona en la frecuencia fundamental, y puede tener frecuencias en los limites indicados de 500 kHz a 10 MHz.
El trimmer CV sirve para ajustar el punto de funcionamiento; la serial obtenida en la salida es rectangular.
Este oscilador también puede ser usado para excitar circuitos TTL, como contadores, frecuencímetros, etc.
La alimentación debe hacerse con una tensión de 5 V.
4. Oscilador CMOS
Para la lógica digital CMOS tenemos el circuito representado en la figura 8.
Se basa en el circuito integrado 4001 , que puede operar en frecuencias hasta 5 MHz aproximadamente.
EI calibrado del puente de funcionamiento se hace en el trimmer y los componentes C1 y R1 deben ser calibrados en función de la frecuencia y del tipo de cristal, de modo que haya oscilación.
La señal de salida es también rectangular y la alimentación puede hacerse con tensiones entre 5 y 15V. Observe en el diagrama los puntos de alimentación del integrado en los pinos 14 y 7.
5. Oscilador de 4 a 20 MHz con 1 transistor
Este oscilador no lleva ningún circuito resonante, aparte del formado por el propio cristal (figura 9).
Los dos choques de RF (XRF) deben presentar impedancia elevada en la frecuencia de operación del circuito.
La corriente exigida por este circuito estará alrededor de 2omA para una alimentación de 12 V, pero deberá funcionar satisfactoriamente en la gama de tensiones de 9 a 18 V, dependiendo, naturalmente, del transistor empleado.
Transistores menos potentes, como el BF494, BF495, u otros, pueden no aceptar tensiones por encima de 12 V.
Tipos de más potencia, como los 2N2222 o 2N2218, pueden llegar a funcionar con tensiones más elevadas.
El resistor de 15 k en la base del transistor también puede ser sustituido por otro de distinto valor, de acuerdo al transistor, con el fin de obtener un rendimiento mayor.
6. Oscilador de 7 a 100 MHz con 1 transistor
El oscilador de RF de la figura 10 proporciona señales en la gama de los 7 a los 10oMHz, utilizando un cristal de overtone (sobretono) y puede ser alimentado con tensiones entre 9 y 18 V.
La diferencia, en relación al circuito anterior, es el modo en que la serial es retirada. Tenemos un transformador de RF formado por L1 y L2.
Las características de estas dos bobinas dependen de la frecuencia, conforme a la siguiente tabla:
La bobina L2 consiste en 2 a 4 espiras de cable sobre L1. El número menor de espiras se usa en el extremo superior de la gama.
EI rendimiento del circuito depende de la ganancia del transistor. Los tipos que recomendamos son BF494, BF495, 2N2218, o 2N2222.
El resistor de polarización de base de 1k8 puede ser alterado en función de la tensión de alimentación, de modo que el consumo de corriente no supere los 20 mA.
Se usan valores menores con tensiones mayores, hasta un mínimo alrededor de 1 k.
Recordemos que, en este tipo de circuito, el capacitor CV y la bobina L1 forman un circuito “tanque" que no determina la frecuencia de la operación, y si en cambio el rendimiento en la transferencia de la señal al circuito externo.
Si no se consiguiera un calibrado para mayor rendimiento, debe alterarse la bobina.
Otra característica importante de este circuito es la de permitir la producción de señales de frecuencias múltiplos del cristal (operación en armónicas).
Si tenemos un cristal de 6 MHz y ajustamos el circuito resonante para 24 MHz, tendremos Ia producción de esta frecuencia, sin problemas.
La calibración del punto de operación debe hacerse con la ayuda de un griddip, o en tal caso, frecuencímetro.
7. Oscilador con FET para 4 a 18MHz
Los transistores de efecto de campo poseen características que permiten la realización de excelentes osciladores, como el que mostramos en la figura 11, que opera de 4 a. 18 MHz.
El transistor usado es un FET de unión, como el BF245 o MPF102, y no hay circuito tanque sintonizado.
El choque RF debe tener una impedancia suficientemente alta en la frecuencia de resonancia del cristal, para permitir el pasaje de la señal hacia la salida. El cristal es del tipo fundamental y la serial de salida variará de intensidad conforme a la frecuencia.
El consumo de corriente de este circuito es bastante bajo, inferior a 10 mA, y si se notara poco rendimiento, se puede sospechar la inversión de los terminales D y S que en los transistores de este tipo son intercambiables.
8. Oscilador con FET de 7 a 100 MHz
Esta versión de oscilador con cristal utilizando un FET de unión opera en frecuencias de la gama de 7 a 100 MHz (figura 12).
El FET puede ser el 2N3819 o BF245 y la alimentación se situará entre 6 y 18 V. El circuito tanque, formado por L1 y L2, tiene las mismas características del utilizado en el circuito 6.
La reactancia XRF debe tener una impedancia suficientemente alta en la frecuencia de operación, para impedir que la serial pese hacia la fuente.
Los capacitores son todos cerámicos como en los demás circuitos, en vista de sus características.
El circuito tanque, formado por L1 y L2, debe ser calibrado para que tenga la frecuencia de resonancia igual a la de operación del cristal, cuando la señal generada está presente en la salida con la intensidad máxima.
Con la calibración del circuito tanque para frecuencias múltiplos de la producida por el cristal, el mismo también oscilará y podremos tener un comportamiento diferente para el oscilador. Con un cristal de 27MHz podremos generar señales de 54 e incluso de 108 MHz.
La corriente consumida por este circuito será inferior a 10 mA con una tensión de alimentación de 12 V.
El capacitor de 10pF puede ser omitido en algunos tipos de transistores de efecto de campo.
9. Oscilador de 4 a 100 MHz
En la figura 13 tenemos también un oscilador que usa apenas un transistor común, que puede ser un 2N2222, 2N2218, BF494, BF495 o 2Nl7l11, y oscilará en la gama de frecuencias entre 4 y 100 MHz.
El circuito oscilará bien con tensiones de alimentación entre 6 y 18 V, y dependiendo del transistor será necesario alterar el valor del resistor de 4k7, de modo que no haya excesiva corriente de consumo.
Esta corriente debe permanecer alrededor de 20 mA en el máximo para los transistores 2N indicados y alrededor de 10 mA para los BF.
Los capacitores, como en los demás circuitos, deben ser todos cerámicos.
revisado 2017