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Osciladores controlados por cristal (ART175)

Uma infinidade de equipamentos modernos tem seu ritmo de funcionamento controlado por pequenos cristais de quartzo. Como esses cristais funcionam e a importância que eles têm na vida moderna foi justamente o alvo de outro artigo deste mesmo site. Para o profissional da eletrônica, entretanto, é muito importante ter exemplos de circuitos que gerem sinais de frequências fixas determinadas por cristais de quartzo. Estes circuitos podem ser a base de muitos projetos que vão desde transmissores ou geradores de sinais de altas frequências, até instrumentos de precisão como frequencímetros, cronômetros, e mesmo computadores. Damos a seguir uma boa quantidade de circuitos básicos de oscilador que podem ser usados em qualquer frequência dentro dos limites indicados em cada caso.

Um oscilador é simplesmente um amplificador em que parte do sinal de saída é aplicado à entrada de maneira a produzir um efeito de realimentação.

Nos osciladores com cristais, o cristal de quartzo influi na velocidade com que a realimentação ocorre determinando assim a sua frequência de operação.

 

Modos de realimentação controladas pelos cristal.
Modos de realimentação controladas pelos cristal.

 

Em princípio os osciladores com cristal possuem uma única frequência de operação que depende justamente das características deste elemento e que não podem ser alteradas. No entanto, como o acoplamento do cristal ao circuito é capacitivo, uma capacitância externa pode alterar levemente a frequência natural de suas oscilações e isso pode ser aproveitado em algumas configurações.

Assim, existem circuitos cuja frequência é determinada pelo cristal mas que pode ser levemente alterada por meio de um trimmer ligado em série com este elemento.

Por outro lado, a potência que podemos obter de um oscilador a cristal é limitada pela energia de RF que é aplicada este elemento na manutenção das oscilações. Uma potência elevada causa seu aquecimento e se ele superar um certo valor, pode ocorrer a perda das suas características piezoelétricas com uma incapacidade de oscilar.

Observamos também que o sinal obtido por muitos osciladores com cristais não é absolutamente puro e que harmônicas podem estar presentes. Nos casos em que elas são interessantes, por exemplo, num dobrador, sua eliminação não é necessária, mas existem os casos em que devem ser utilizados filtros com esta finalidade.

Os osciladores com cristais têm diversas modalidades de operação conforme a frequência de oscilação:

Temos então os osciladores que operam na frequência fundamental do cristal, os que operam em harmônicas do cristal e finalmente os circuitos de sobretom, que são os que operam em harmônicas ímpares, ou seja, um múltiplo par da frequência fundamental.

Diversos são os motivos pelos quais um oscilador com cristal pode não funcionar. Um deles é a realimentação insuficiente de sinal.

Um segundo motivo, igualmente importante é a carga excessiva do circuito de saída, quer seja por problemas de casamento de impedância, quer seja por exigência das etapas seguintes de oscilação.

Também é causa de anormalidade de funcionamento num oscilador com cristal a produção de oscilações parasitas, principalmente na faixa de VHF e que podem causar interferências principalmente em televisores, quando estes cristais são empregados em transmissores. Filtros especiais para sua eliminação devem ser usados quando isso ocorrer.

O elemento ativo de um oscilador a cristal pode ser uma válvula, um transistor bipolar, um transistor de efeito de campo ou ainda um amplificador contido num circuito integrado.

O importante para que as oscilações possam ser mantidas é que o circuito tenha ganho, de modo que parte do sinal possa ser reaplicado na entrada e sobre alguma coisa para ser usada no circuito externo, conforme sugere a figura 2.

 

Um oscilador é uma etapa amplificadora, com ganho maior que 1,que se realimenta.
Um oscilador é uma etapa amplificadora, com ganho maior que 1,que se realimenta.

 

OS CIRCUITOS

Começamos por dar alguns circuitos dos mais simples com transistores, recomendados para uso em pequenos transmissores ou instrumentos de prova por gerarem sinais quase que senoidais (as pequenas diferenças são devidas à presença de harmônicas e eventualmente oscilações parasitas.

 

a) Circuitos de Frequência Fixa

O primeiro circuito é o mostrado na figura 3 e faz uso de um transistor 2N2222 ou equivalente. Este circuito pode operar em frequências na faixa de 500 kHz até algumas dezenas de Megahertz.

 

Oscilador Colpitts de 500 kHz aa 20 MHz ou mais.
Oscilador Colpitts de 500 kHz aa 20 MHz ou mais.

 

Trata-se de um oscilador Colpitts em que a realimentação é feita por derivação capacitiva, com o sinal retirado do emissor do transistor e reaplicado à base. A alimentação do circuito é feita com uma tensão de 12V e a potência de saída é da ordem de alguns miliwatts. Neste circuito, o cristal opera em sua frequência fundamental.

O segundo circuito é um oscilador do tipo Pierce e também opera na frequência fundamental do cristal. Este circuito emprega um transistor de efeito de campo de junção como o BF245 e pode gerar sinais na faixa de algumas centenas de quilohertz até algumas dezenas de megahertz.

Na figura 4 mostramos o circuito que é alimentado com uma tensão de 12 V.

 

Oscilador Pierce com FET de junção.
Oscilador Pierce com FET de junção.

 

O importante neste circuito é que o choque XRF tenha uma reatância elevada na frequência de operação.

Para operar numa harmônica da frequência do cristal, sintonizada num trimmer no circuito ressonante de coletor do transistor, temos o circuito da figura 5.

 

Oscilador harmônico com cristal.
Oscilador harmônico com cristal.

 

O transistor utilizado é o 2N2222 ou equivalente que possa oscilar na frequência desejada. A alimentação deste circuito também é feita com uma tensão de 12V.

Alertamos que nestes circuitos osciladores de frequências elevadas, deve-se dar preferência ao uso de capacitores cerâmicos e até mesmo de mica nas funções mais críticas.

O circuito da figura 6 opera em um sobretom da frequência do cristal, ou seja, na frequência fundamental ou ainda em harmônicas que correspondam a múltiplos ímpares da frequência fundamental como 3f, 5f, 7f, 3, etc.

 

Oscilador para harmônicas ímpares (sobretom).
Oscilador para harmônicas ímpares (sobretom).

 

Observe que o circuito LC no dreno do transistor de efeito de campo deve ser sintonizado na frequência em que desejamos as oscilações.

O transistor de efeito de campo pode ser de qualquer tipo que oscile na faixa de frequências desejadas. Este circuito opera em frequências de algumas centenas de megahertz.

O circuito da figura 7 opera em frequências de 4 a 20 MHz e utiliza também um FET de junção comum como o BF244 ou BF245.

 

Oscilador de 4 a 20 MHz com J-FET.
Oscilador de 4 a 20 MHz com J-FET.

 

A frequência de operação é a fundamental, e o choque de RF deve ter uma reatância elevada na frequência de operação do circuito. Para a faixa indicada, choques de 100 µF a 1 mH podem ser usados.

A faixa de tensões de alimentação deste circuito pode variar entre 5 e 15 V quando então teremos um consumo típico de corrente da ordem de 6 mA.

Na figura 8 temos um oscilador com um único transistor que pode gerar sinais na faixa de 7 a 100 MHz, com o emprego de um cristal que oscile em sobretom.

 

Oscilador por sobretom de 7 a 100 MHz
Oscilador por sobretom de 7 a 100 MHz

 

O transistor usado é o 2N2222 o qualquer equivalente que oscile na frequência desejada. O choque de RF XRF deve ter uma reatância elevada na frequência de operação podendo ser usados tipos de 200 a 500 uH tipicamente.

 

L1 e L2 dependem da frequência de oscilação conforme a seguinte tabela:

A bobina L2 é enrolada sobre L1 e consiste em 32 ou 3 espiras do mesmo fio.

A corrente ideal de funcionamento deste circuito está em torno de 12 mA.

O próximo circuito a ser sugerido é mostrado na figura 9 e pode operar de 4 a 100 MHz, com base em um transistor 2N2222 ou equivalente.

 

Oscilador na freqüência fundamental de 4 a 100 MHz.
Oscilador na freqüência fundamental de 4 a 100 MHz.

 

A tensão de alimentação recomendada para este circuito é de 12V e como a potência do sinal gerado é baixa, para pequenos transmissores devem ser usadas pelo menos duas etapas de amplificação antes da modulação.

O capacitor entre o emissor e o terra do circuito deve ter seu valor obtido experimentalmente na faixa de 22 a 100 pF, conforme as características do cristal e do choque de RF usado. Este choque deve ter valores entre 100 uH e 1 mH conforme a frequência do circuito.

 

b) Oscilador ajustáveis com cristal

O circuito da figura 10 apresenta uma característica que pode ser importante em muitos projetos que é a de se poder alterar sua frequência numa certa faixa. Entretanto, a faixa em torno da frequência do cristal que se pode ajustar com estes circuitos é pequena.

 

Oscilador Colpitts ajustável.
Oscilador Colpitts ajustável.

 

O transistor usado, mais uma vez é o 2N2222 e a tensão de alimentação é de 12V.

Este oscilador é do tipo Colpitts e o ajuste de frequência é feito no trimmer em série com o cristal. A faixa de frequências vai de 500 kHz a 20 MHz. Para frequências abaixo de 4 MHz o capacitor C2 deve ter seu valor aumentado.

Outra configuração de oscilador que pode ser ajustado levemente por meio de um capacitor (Cfb) que pode estar em torno de 100 pF para frequências entre 3,5 e 20 MHz, é mostrada na figura 11.

 

Oscilador Pierre ajustado por Cfb.
Oscilador Pierre ajustado por Cfb.

 

Trata-se de um oscilador Pierce com um transistor de efeito de campo de junção como o BF2456 ou qualquer equivalente que opere na frequência desejada.

A alimentação do circuito é feita com 12V e o consumo é da ordem de alguns miliampères.

Para uma oscilação numa frequência harmônica daquela do cristal usado, com a possibilidade de variações numa faixa estreita temos o interessante circuito da figura 12 com base num transistor de efeito de campo de junção.

 

Oscilador harmônico ajustável.
Oscilador harmônico ajustável.

 

Este circuito também deve operar satisfatoriamente com cristais na faixa de 3,5 a 20 MHz, e o capacitor C2 deve fazer juntamente com L1 a sintonia na frequência da harmônica que se desejar na saída.

O circuito deve ser alimentado com 9V de uma tensão estabilizada e os capacitores de 25 e 100 pF do divisor capacitivo de realimentação eventualmente devem ser alterados conforme a frequência específica de operação, principalmente no caso de frequências mais baixas quando valores maiores devem ser usados no sentido de manter o nível dessa realimentação.

Ainda para um oscilador que pode ter sua frequência ajustada numa faixa estreita de valores, temos o circuito com transistor de efeito de campo da figura 13.

 

Oscilador para o terceiro sobretom até 50 MHz.
Oscilador para o terceiro sobretom até 50 MHz.

 

Este circuito opera no terceiro sobretom do cristal, em frequências de até 50 MHz. Veja que existem duas possibilidades de se fazer a conexão do cristal no sentido de manter a frequência de oscilação nos valores desejados.

Uma possibilidade interessante que deve ser considerada em todos os osciladores que vimos com FETs de junção (JFET) é que podemos ter configurações absolutamente equivalentes com MOSFETs de dupla comporta, bastando polarizar a segunda comporta (não usada) com uma tensão positiva de 2 a 3 volts o que pode ser conseguido facilmente com um divisor resistivo.

Conforme mostra a figura 14, basta ter um resistor de 270k ao positivo de 12 V e um resistor de 100k ? para obtermos facilmente esta polarização.

 

Adaptações para usar MOSFET de duas comportas.
Adaptações para usar MOSFET de duas comportas.

 

Em princípio qualquer MOSFET de dupla comporta pode ser usado em todos os circuitos vistos.

 

c) VXO

VXO é a sigla de Variable-frequency Crystal Oscilator e usada para designar circuitos osciladores que usam cristais mas que podem ter suas frequências variadas na faixa de alguns quilohertz até algumas dezenas de quilohertz.

São os cristais com corte AT que proporcionam as variações maiores de frequência neste tipo de circuito, mas para se obter os melhores efeitos é preciso reduzir a capacitância residual do circuito o máximo possível.

Isso significa que devem ser empregadas chaves comutadoras de baixa capacitância, capacitores variáveis com capacitâncias mínimas bem baixas, e tipos especiais de soquetes para os próprios cristais que devem ficar bem distanciados de qualquer parte metálica do aparelho que possa representar a armadura de um capacitor.

Para um cristal de 3,5 MHz, por exemplo, pode-se deslocar a frequência de 3 kHz, enquanto que para um cristal de 7 MHz esse valor pode chegar a 10 kHz. Evidentemente, nestas condições, as características de estabilidade dadas pelo cristal são perdidas.

Na figura 15 temos um primeiro circuito de VXO empregando um FET de junção. Este circuito pode fornecer uma variação de 5 kHz numa frequência de 7 MHz.

 

Exemplo de VXO.
Exemplo de VXO.

 

Este circuito deve ser alimentado por uma tensão estabilizada de 9V e a sintonia é feita pelo indutor variável XL.

Um segundo circuito de VXO de maior faixa de variação é mostrado na figura 16.

 

VXO para 7 MHz.
VXO para 7 MHz.

 

Neste circuito temos uma faixa de variações de 15 kHz na frequência de 7 MHz. Para isso, XL deve ter sua reatância fixada de tal forma a se obter o máximo de deslocamento de frequência quando C1 for sintonizado na faixa de operação do circuito.

 

c) Osciladores para Circuitos Lógicos Digitais

O ritmo de funcionamento de muitos circuitos digitais como relógios, timers, frequencímetros, etc., é determinado por osciladores controlados por cristais.

 

Damos a seguir alguns circuitos interessantes para servir de clocks para equipamentos digitais.

O primeiro deles é mostrado na figura 17 e tem por base o conhecido 7400, sendo indicado para aplicações TTL com cristais de 500 kHz a 10 MHz.

 

Oscilador TTL - 7400
Oscilador TTL - 7400

 

Evidentemente, este circuito gera um sinal retangular e o ponto exato de funcionamento é ajustado no trimmer CV de modo que se obtenha um desvio de fase de 180 graus necessário a manutenção das oscilações.

O circuito seguinte, mostrado na figura 18, usa um integrado 7402 que consiste em quatro portas NOR de duas entradas e pode operar com cristais de 500 kHz a 10 MHz.

 

Oscilador TTL - 7402.
Oscilador TTL - 7402.

 

Evidentemente, trata-se também de circuito TTL com um sinal retangular de saída e o ponto de funcionamento ajustado no trimmer.

Com a utilização de circuitos integrados H (High Power) como o 74H00 ou 74H02, estes circuitos podem alcançar frequências de 40 MHz. Com frequências abaixo de 500 kHz, o circuito pode oscilar, mas será instável. Os valores dos resistores que polarizam as entradas das portas nos dois circuitos podem ser modificados se for notada uma dificuldade para oscilação.

Completamos a série de circuitos com uma configuração para integrados CMOS, no caso o 4001, mostrado na figura 19.

 

Oscilador CMOS-4001.
Oscilador CMOS-4001.

 

Neste circuito os valores de R e de C dependem da frequência deo cristal. Eles devem ser escolhidos de tal modo que sua constante de tempo proporcione uma defasagem de 180 graus no sinal da frequência de oscilação.

 

 

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