Un oscillatore al quarzo è in grado di generare un segnale periodico a frequenza fissa sfruttando le proprietà dei cristalli di quarzo. Tale componente attivo si basa non solo sul quarzo ma anche su un circuito retroazionato, per effetto del quale esso può essere considerato in tutto e per tutto un micro generatore di forme d’onda. Nel momento in cui a un pezzo di quarzo sottile si applica una sorgente di tensione, si concretizza il cosiddetto effetto piezoelettrico, in virtù del quale la sua forma inizia a mutare. Infatti la forma del cristallo viene modificata dalle forze meccaniche che sono generate dalle cariche elettriche. Vale anche il contrario: una carica elettrica può essere prodotta da una forza che viene applicata a un cristallo.
Gli oscillatori al quarzo e la frequenza
Un oscillatore al quarzo impiega delle porzioni molto sottili di cristallo, di dimensioni piccole, con due superfici parallele metallizzate allo scopo di creare delle connessioni elettriche. La frequenza fondamentale del cristallo viene definita dal taglio e dalle dimensioni. È possibile annoverare i dispositivi piezoelettrici tra i trasduttori in quanto sono in grado di convertire l’energia meccanica in energia elettrica e viceversa, trasformando in meccanica l’energia elettrica. Per effetto delle oscillazioni meccaniche che vengono prodotte si generano delle oscillazioni o delle vibrazioni che possono essere usate come riferimento dei tempi.
Le caratteristiche degli oscillatori Pierce
Una tipica struttura in questo settore è rappresentata dagli oscillatori Pierce, che si basano sui JFET come componenti amplificatori. L’elevata impedenza di ingresso del FET in questa circostanza offre la possibilità di adoperare il cristallo di quarzo in serie nel ramo di feedback, tra Drain e Gate. Quasi tutti i timer e gli orologi digitali si basano su un oscillatore Pierce per i componenti di cui sono formati.
Le proprietà di un tipico oscillatore al quarzo
Nella maggior parte dei casi un oscillatore adopera dei transistori bipolari o FET, dal momento che la larghezza di banda degli amplificatori operazionali non è abbastanza grande per riuscire a lavorare a frequenze più elevate di 1 MHz. Una struttura semplice è capace di operare a frequenze fino a un massimo di 100 kHz, che sono molto più elevate rispetto alle frequenze che caratterizzano i cristalli impiegati, comprese tra 1 e 5 MHz. Tale struttura si basa su un BJT in configurazione a collettore comune, mentre la tensione viene imposta da due resistenze di polarizzazione sul cristallo di quarzo e sulla base del transistor. Lo stadio di amplificazione viene pilotato per effetto dell’oscillazione del cristallo di quarzo.
Gli inverter CMOS e i cristalli al quarzo
Un oscillatore al quarzo può essere creato anche usando come elemento amplificatore un inverter CMOS. Il cristallo di quarzo pilota l’ingresso di un primo invertitore con trigger di Schmitt retroazionato ad hoc, e un altro invertitore funge da interfaccia di uscita. Gli oscillatori FET e BJT sono caratterizzati da uscita sinusoidale, mentre gli oscillatori CMOS sono diversi, in quanto per commutare fra il livello alto e il livello basso producono un’onda quadra. Come si può facilmente immaginare, la frequenza di funzionamento massima varia a seconda delle caratteristiche in frequenza delle porte logiche che vengono impiegate.
Gli oscillatori al quarzo e gli oscillatori MEMS
I cristalli di quarzo non sono presenti negli oscillatori MEMS, i quali definiscono la frequenza di riferimento dentro a un chip a semiconduttore. Tale tipologia di oscillatore può essere configurata, dal momento che è possibile selezionare la sua frequenza: questa è una differenza significativa rispetto a quel che accade con gli oscillatori al quarzo, la cui frequenza è invece fissa. Ecco spiegato il motivo per il quale gli oscillatori MEMS possono essere personalizzati con facilità; anche per quantità piccole, per altro, i tempi di produzione sono veloci. Questi oscillatori sono immuni sia alle vibrazioni che agli urti in quanto sono privi di parti meccaniche. Questa è la ragione per la quale essi possono essere impiegati anche in contesti impegnativi e per applicazioni complesse, come per esempio quelle del settore automotive. Tra i motivi per i quali in molti casi gli oscillatori MEMS rappresentano la soluzione più indicata ci sono la notevole stabilità in frequenza e gli elevati range di temperature di utilizzo. Vale la pena di mettere in evidenza, inoltre, la forte ripetibilità della produzione che caratterizza l’industria dei semiconduttori.
Le proprietà piezoelettriche del quarzo
Ma che cosa vuol dire di preciso che i cristalli di quarzo sono dotati di proprietà piezoelettriche? In sostanza essi, come altri materiali naturali sintetici, generano una tensione, che corrisponde a una differenza di potenziale, nel momento in cui vengono sottoposti a una pressione esterna o a qualunque altro tipo di deformazione meccanica. Invece, se vengono sottoposti a una tensione esterna si deformano. Dopodiché i quarzi ritrovano lo stato di equilibrio nel momento in cui la tensione applicata viene fatta sparire.