Comment fonctionne un cristal?

Plus précisément, un oscillateur à quartz à 2 et 4 broches.

Ce que je sais: le courant est appliqué et le cristal oscille afin de fournir un signal oscillant.

Ce que je veux savoir: comment la vibration provoque-t-elle un courant oscillant? En quoi les cristaux 2 / 4pin sont-ils différents? Enfin, pourquoi une machine à 4 broches peut-elle fonctionner seule et une machine à 2 broches a-t-elle besoin de condensateurs?

Les dispositifs à deux broches ne sont pas des oscillateurs, mais des résonateurs (cristaux), qui peuvent être utilisés dans un circuit d’oscillateur (comme un oscillateur Pierce ) et s’ils sont utilisés avec le circuit approprié, ils oscillent à (ou à proximité) de la fréquence marquée. . Le circuit oscillateur de Pierce, illustré ci-dessous, utilise deux condensateurs (condensateurs de charge, C1 / C2), le cristal (X1) et un amplificateur (U1).

Les dispositifs à quatre broches sont des circuits complets comprenant un résonateur et un circuit actif qui oscille. Ils ont besoin d’énergie et produisent une sortie en onde carrée ou sinusoïdale à la fréquence (ou proche de celle-ci).

Il existe également des résonateurs (en céramique) à trois broches qui agissent comme des cristaux avec des condensateurs.

Le fonctionnement des cristaux (et des résonateurs céramiques) réside dans le fait qu’ils sont fabriqués dans un matériau piézoélectrique qui produit une tension lorsque leur forme est déformée. Une tension appliquée entraînera une déformation de la forme. Le cristal a une forme qui résonne physiquement (comme un diapason ou une cymbale) à la fréquence souhaitée. Cela signifie que le cristal agira comme un filtre: lorsque vous appliquerez la fréquence souhaitée, il apparaitra comme une impédance élevée une fois qu'il vibre, et à des fréquences légèrement différentes, il aura plus de pertes. Une fois placé dans le circuit de retour d'un amplificateur, l'oscillation s'auto-entretiendra. Beaucoup plus, et quelques maths, ici .

Si vous pensez qu'un cristal est une minuscule cloche, il est facile de voir comment, si vous le frappez avec un tout petit marteau, il sonnerait avec un son pur, comme une grosse cloche le ferait si vous frappiez la grosse cloche avec un petit marteau.

C'est exactement ce que fait un cristal, mais le truc, c'est qu'il est fait d' un matériau piézoélectrique qui produit de l'électricité lorsque vous le frappez et change de forme lorsque vous le choquez avec de l'électricité.

Pour qu'il produise ce son de cloche pur et continu, il est connecté à un amplificateur qui fonctionne comme une personne qui vous pousse sur une balançoire de sorte que, lorsque vous arrivez juste au-delà du sommet d'une balançoire, ils vous poussent à pousser. assurez-vous de revenir pour le prochain.

La nature piézoélectrique du cristal le fait changer de forme lorsque la sortie de l'amplificateur le "pousse" avec un signal électrique, puis lorsque l'amplificateur se libère, le cristal ressort et génère son propre signal qui dit "poussez-moi" et envoie l’entrée de l’amplificateur au bon moment pour que l’amplificateur génère une autre impulsion et régénère le cycle, pour toujours.

Alors, qu'est-ce qui fait que le cristal commence à osciller?

Bruit.

Il y a du bruit partout, et c'est comme des zillions de minuscules marteaux frappant tout le temps.

Une partie de ce bruit frappe le cristal, et quand il est relié à l'amplificateur et commence à sonner un peu, il amplifie le signal électrique de la sonnerie physique du cristal (fréquence), le construit et l'envoie. retour au cristal. Cela change encore plus la forme du cristal, renvoyant un signal plus puissant à l'amplificateur lorsque la forme du cristal revient, jusqu'à ce que le système oscille de manière continue et soit stable.

Un cristal n'oscille pas seul. Vous ne vous contentez pas d’appliquer du courant et d’obtenir des oscillations. Pensez à un cristal comme un filtre de fréquence très précis et précis. Vous le placez correctement dans le chemin de retour d'un amplificateur et le circuit oscille à la fréquence de résonance du cristal. C'est le circuit qui provoque les oscillations. Ils suppriment toutes les fréquences sauf celle pour laquelle il est réglé, ce qui ne permet qu'un gain de boucle global suffisant pour que le circuit oscille à la fréquence du cristal.

Les cristaux en dessous de leur fréquence de résonance apparaissent principalement capacitifs. Au-dessus de leur fréquence de résonance, elles apparaissent principalement inductives. A leur fréquence de résonance, ils apparaissent surtout résistifs.

Ré-dessinez l'oscillateur Pierce trois fois, en remplaçant le cristal par l'un de ces composants. Cela peut vous aider à comprendre comment cela fonctionne.

Les cristaux de résonance parallèles sont en fait spécifiés un peu en dessous de la fréquence fondamentale. Cela rend le cristal un peu capacitif à la fréquence spécifiée. La capacité supplémentaire ajoute un peu de déphasage supplémentaire pour aider l'oscillateur à démarrer et à fonctionner.

L'entrée de l'amplificateur voit un signal plus gros près du fondamental du cristal (résistif, typiquement inférieur à 100 Ohms ESR). Les plus petits signaux hors fréquence sont diminués ou bloqués, ainsi un signal à la fréquence fondamentale devient plus fort (après avoir été amplifié) et domine.

Poussez quelqu'un sur une balançoire. Peu importe les efforts que vous déployez, la balançoire ne va vraiment aller-retour qu’à une fréquence fondamentale.

Imaginez un cristal à la surface de l'eau. Envoyez maintenant des ondulations (ondes) sur cette surface. Les ondulations déplacent la surface de haut en bas, la pliant efficacement. Le cristal aussi se plie pendant qu'il vibre.

La flexion peut être provoquée par l'application d'un champ électrique à un cristal de quartz, mais la flexion elle-même crée un champ électrique opposé dans le réseau cristallin. Au repos, ces forces sont équilibrées et le cristal est sans charge.

Qu'est-ce qui est le plus facile à faire vibrer avec votre main: une règle de 12x1 pouces ou une feuille de contreplaqué de 6x4 pieds? Évidemment, la règle la plus petite peut être vibrée plus rapidement!

Les cristaux sont les mêmes. Leurs dimensions déterminent leur fréquence de résonance; des cristaux plus petits et / ou plus minces vibrent plus rapidement. C'est également ce qui limite la fréquence fondamentale d'un cristal: les cristaux deviennent trop petits ou trop minces pour être traités avec précision par usinage mécanique ou gravure chimique à des fréquences plus élevées.

À très basses fréquences, les cristaux deviennent si gros ou si épais qu’il faut trop de puissance pour les plier; par conséquent, une conception en cristal de diapason est utilisée pour les cristaux de synchronisation basse fréquence de 32,768 kHz.

Les cristaux peuvent en fait osciller à plus d’une fréquence. Ce sont les harmoniques par multiples de la fondamentale, mais elles ont tendance à être plus faibles que la fondamentale. Il est possible de concevoir un circuit pour faire osciller un cristal au niveau d’une harmonique, généralement le troisième ou le cinquième. Généralement, les cristaux de plus de 40 MHz sont conçus pour les harmoniques 3 ou 5 et non pour les fondamentaux. Veuillez donc lire attentivement les spécifications avant de l'acheter!