Oscillatori al quarzo
L’oscillatore al quarzo è un componente attivo che utilizza le proprietà dei cristalli di quarzo per generare un segnale periodico a frequenza fissa. Esso integra, oltre al quarzo, un circuito retroazionato che lo rende a tutti gli effetti un micro generatore di forme d’onda.
Il funzionamento dell’oscillatore al quarzo
Quando una sorgente di tensione viene applicata a un pezzo di quarzo sottile, esso comincia a cambiare forma : è l’effetto piezoelettrico. Le cariche elettriche producono forze meccaniche che modificano la forma del cristallo e viceversa, una forza applicata a un cristallo produce una carica elettrica.
I dispositivi piezoelettrici possono essere quindi classificati come trasduttori, perché convertono l’energia elettrica in meccanica e quella meccanica in elettrica; le oscillazioni meccaniche generate producono vibrazioni o oscillazioni utilizzabili come base dei tempi.
Gli oscillatori al quarzo utilizzano “fettine” di cristallo molto sottili e di piccolissime dimensioni, le cui due superfici parallele sono metallizzate per realizzare le connessioni elettriche. Il taglio e le dimensioni definiscono la frequenza fondamentale del cristallo.
L’oscillatore utilizza solitamente transistori bipolari o FET, perché gli amplificatori operazionali non hanno larghezza di banda sufficientemente ampia per lavorare a frequenze superiori a 1 MHz.
Una semplice struttura utilizza un BJT in configurazione a collettore comune (emitter-follower) e una coppia di resistenze di polarizzazione impongono una determinata tensione sulla base del transistor e sul cristallo di quarzo che, oscillando, pilota lo stadio di amplificazione.
Oscillatori di questo tipo in grado di operare a frequenze fino a 100kHz, ben maggiori delle frequenze tipiche dei cristalli utilizzati (da 1 MHz a 5 MHz)
Un’altra struttura tipica è l’oscillatore Pierce, che utilizza un JFET come componente amplificatore; in questo caso, l’alta impedenza di ingresso del FET permette di utilizzare il cristallo di quarzo direttamente tra Drain e Gate, in serie nel ramo di feedback. La maggior parte degli orologi digitali e timer utilizzano un oscillatore Pierce per i pochi componenti necessari.
Oscillatore CMOS
É anche possibile creare un semplice oscillatore al quarzo utilizzando un inverter CMOS come elemento amplificatore. L’ingresso di un primo invertitore con trigger di Schmitt opportunamente retroazionato, viene pilotato dal cristallo di quarzo, mentre un secondo invertitore fa da interfaccia di uscita.
A differenza degli oscillatori a BJT e FET, che hanno uscita sinusoidale, gli oscillatori CMOS commutano tra i due livelli alto e basso generando un’onda quadra. Naturalmente la frequenza massima di funzionamento dipende dalle caratteristiche in frequenza delle porte logiche utilizzate.
Gli oscillatori MEMS
L’oscillatore MEMS non integra un cristallo di quarzo, ma genera la frequenza di riferimento direttamente all’interno di un chip a semiconduttore.
Questo tipo di oscillatore ha il vantaggio di essere configurabile, infatti la sua frequenza è selezionabile, a differenza degli oscillatori al quarzo che hanno frequenza fissa. Sono quindi facilmente personalizzabili e i tempi di produzione sono rapidi, anche per piccole quantità.
L’assenza di parti meccaniche li rende altamente immuni agli urti e alle vibrazioni, facilitandone l’utilizzo in applicazioni difficili come automotive; gli ampi range di temperature di utilizzo e l’ottima stabilità in frequenza, oltre che l’eccezionale ripetibilità della produzione, tipica dell’industria dei semiconduttori, rendono gli oscillatori MEMS la scelta migliore in molte applicazioni.
