A melhor forma de se obter um sinal de freqüência fixa estável e preciso é através de um oscilador controlado por cristal de quartzo. Os cristais mantém a freqüência de oscilação de um circuito dentro de limites rígidos e mudam muito pouco de características, mesmo com a temperatura. Neste artigo damos uma seleção de circuitos simples de osciladores a cristal que podem ser usados como base (clock) para inúmeras aplicações do desenvolvedor de projetos.
Os cristais de quartzo aproveitam o fenômeno da ressonância associado às suas propriedades piezoelétricas.
Quando excitados eletricamente eles tendem a vibrar numa única freqüência que depende de suas dimensões e modo como o corte foi feito.
Cristais de poucos quilohertz a muitos megahertz podem ser obtidos com facilidade nas casas especializadas e usados como base para o controle da freqüência de um circuito oscilador.
Na figura 1 temos o símbolo adotado para representar um cristal de quartzo comum e o aspecto do tipo mais comum.
Basicamente um cristal consta de uma peça de quartzo, cujas dimensões e modo de corte em relação ao cristal original vão determinar sua freqüência.
Nessa peça são fixados os eletrodos de fixação, conforme mostra a figura 2.
A presença deste elemento de excitação funciona como as placas de um capacitor e além disso deve ser considerada indutância dos terminais assim como sua resistência o que nos leva ao circuito equivalente mostrado na mesma figura.
No entanto, dada a boa tensão que um cristal gera quando vibra e sua sensibilidade é possível elaborar circuitos simples em que esse elemento é usado como controle de freqüência. A seguir damos uma seleção desses circuitos.
Oscilador até 100 kHz (2 transistores)
O circuito mostrado na figura 3 usa transistores NPN de uso geral e pode ser usado para gerar sinais até 100 kHz.
Os capacitores devem ser cerâmicos e eventualmente o capacitor de realimentação de 10 pF precisará ser alterado para compensar as tolerâncias dos componentes usados.
A alimentação pode ser feita com tensões de 6 a 12 V, sendo o valor recomendado para os valores usados dos componente, 9 V.
Oscilador até 500 kHz (1 Transistor)
O oscilador mostrado na figura 4 pode gerar sinais até 500 kHz e tem boa estabilidade. A bobina L consta de 8 espiras de fio 28 em uma forma de 0,5 cm sem núcleo.
Os capacitores devem ser cerâmicos e há uma tolerância tanto na faixa de tensões de alimentação como nos valores dos componentes.
Experiências podem ser feitas com os componentes de polarização e mesmo com os capacitores cerâmicos de 560 pF e 1n2 no sentido de se encontrar a combinação que dê melhores resultados com o cristal usado.
Oscilador até 3 MHz (1 Transistor)
A freqüência máxima do oscilador mostrado na figura 5 está em torno de 3 MHz.
O trimmer ajusta o melhor ponto de oscilação de modo a compensar as capacitâncias internas do próprio cristal.
O circuito deve ser alimentado com tensões de 6 a 12 V e todos os capacitores devem ser cerâmicos.
Em função da freqüência do cristal os capacitores de 220 pF devem ter seu valor alterado de modo a se obter melhor realimentação.
Esses componentes devem ter seus valores aumentados proporcionalmente com freqüências menores.
Oscilador até 110 MHz (1 transistor)
Com o circuito mostrado na figura 6 é possível gerar sinais até uma freqüência de 110 MHz.
A bobina L tem seu valor dependendo da faixa de freqüências em que vai operar o oscilador, segundo a seguinte tabela:
| Faixa de Freqüências | L |
| 60 a 85 MHz | 7 espiras de fio 28 em forma de 0,5 cm |
| 85 a 110 MHz | 4 espiras de fio 28 em forma de o,5 cm |
Os capacitores são cerâmicos e o resistor em paralelo com o cristal tem valores que dependem da freqüência. Para a faixa de 60 a 85 MHz ele deve ser aumentado para 3k3 ou mesmo 4k7.
Transistores equivalentes ao BF494 como o BF495 e mesmo 2N2222 podem ser usados neste circuito.
Oscilador ate 65 MHz (1 transistor)
Com o circuito mostrado na figura 7 é possível gerar sinais até 65 MHz.
Os valores de L e de C1 dependem da faixa de freqüências do sinal a ser gerado, conforme a seguinte tabela:
| Faixa de Freqüências | C1 | L |
| 15 a 25 MHz | 100 pF | 12 espiras |
| 25 a 50 MHz | 56 pF | 8 espiras |
| 50 a 65 MHz | 27 pF | 8 espiras |
As bobinas são enroladas em formas de 0,5 cm.
Os capacitores são cerâmicos e o transistor pode ser qualquer tipo NPN de RF como o BF494, BF495 ou 2N2222.
A alimentação pode ser feita com tensões entre 9 e 12 V e pequenas alterações nos valores dos capacitores podem ser necessárias para compensar as tolerâncias dos componentes.
Oscilador CMOS com o 4060
O circuito integrado CMOS 4060 consiste num contador divisor de freqüências com elementos internos já incorporados para a elaboração de um oscilador externo tanto do tipo RC como controlado a cristal.
Na figura 8 mostramos como implementar um o oscilador a cristal com freqüências até uns 4 MHz usando este componente.
Observamos que a freqüência máxima depende da tensão de alimentação, assim os 4 MHz só serão alcançados com alimentação superior a 9 V.
O trimmer ajusta o ponto ideal de oscilação de modo que o circuito seja inicializado ao se ligar a alimentação. Isso é conseguido compensando-se as capacitâncias internas do cristal.
Lembramos que o sinal obtido na saída deste circuito é retangular.
Oscilador para 27 MHz (2 transistores)
O oscilador mostrado na figura 9 pode servir de base para circuitos de transceptores e walk-talkies operando na faixa dos 11 metros (27 MHz).
O circuito ressonante formado pelo capacitor de 47 pF em paralelo com a bobina é importante para se obter a máxima intensidade de sinal para a saída
A bobina consiste em 6 espiras de fio 28 em forma de 0,5 cm. Pode-se usar uma bobina com núcleo ajustável ou então substituir o capacitor por um trimmer que varra a faixa de 5 a 50 pF.
Os demais capacitores do circuito devem ser cerâmicos e os transistores admitem equivalentes como o 2N2222.
Oscilador CMOS com o 4001/4011
A freqüência máxima do oscilador mostrado na figura 10 é da ordem de 5 MHz, dependendo da tensão de alimentação.
Com tensões mais baixas, o circuito se torna mais lento e não consegue oscilar nas freqüências mais altas.
Os 5 MHz são conseguidos com tensões acima de 9 V.
Os capacitores são cerâmicos e como os circuitos integrados 4001 e 4011 possuem 4 portas, das quais apenas 3 são usadas, e sendo elas intercambiáveis, a pinagem não é dada.
Os capacitores usados devem ser cerâmicos e o sinal obtido na saída deste circuito é retangular.
Oscilador até 30 MHz (FET)
O circuito mostrado na figura 11 pode gerar sinais de boa intensidade até uma freqüência de 30 MHz, dependendo apenas do cristal usado e do circuito tanque de saída.
O circuito formado por L1 e VC deve ser ressonante na freqüência de operação do circuito.
Observamos que os transistores de efeito de campo de junção MF102 e BF245 praticamente têm as mesmas características mas sua pinagem é diferente.
O sinal é retirado por 3 ou 4 espiras de uma bobina enrolada sobre L1.
Oscilador com Comparador
Freqüências até pouco mais de 100 kHz podem ser obtidas com um oscilador baseado num dos quatro comparadores de tensão existentes no circuito integrado LM139/239 ou 33i9, conforme mostra a figura 12.
A alimentação pode ser feita com tensões de 5 a 12 V e o sinal obtido na saída é retangular com um ciclo ativo de aproximadamente 50%.
Os outros comparadores do mesmo circuito integrado podem ser usados em outras aplicações, já que são independentes.
Observe a existência do resistor de pull-up necessário ao circuito já que sua saída é feita com um transistor com o coletor aberto.
Conclusão
Os circuitos que vimos neste artigo são sempre de grande utilidade, pois osciladores são necessários numa infinidade de aplicações práticas.
Lembramos apenas que na elaboração de um projeto que use um oscilador o leitor deve estar atento para as pequenas diferenças de características dos componentes usados que podem influir no seu funcionamento.
Em muitos casos alterações de bobinas e valores de capacitores podem ser necessárias para compensar essas diferentes e até mesmo mudanças de valores de resistores de polarização, estas em função dos ganhos dos transistores usados.
