Un oscilador de cristal[^1] es un resonador de cristal de cuarzo, que es una delgada rebanada (denominada oblea) cortada de un cristal de cuarzo a un cierto ángulo de azimut. También se conoce como cristal de cuarzo o cristal o oscilador de cristal. Un elemento de cristal que agrega un circuito integrado para formar un circuito de oscilación dentro del paquete se llama oscilador de cristal. Sus productos suelen estar encapsulados en cápsulas metálicas, pero también se pueden encapsular en cápsulas de vidrio, cerámica o plástico.
El oscilador de cristal es uno de los componentes electrónicos más comúnmente utilizados en los circuitos electrónicos. Se conoce como el "corazón del equipo electrónico". Es el componente más comúnmente utilizado y esencial en los productos electrónicos. Desde teléfonos móviles y computadoras hasta misiles y satélites, se necesitan osciladores de cristal. Como ingeniero de diseño de PCB (prospective), debemos dominar el conocimiento sobre los osciladores de cristal.
¿Qué tipos de osciladores de cristal hay?
Los osciladores de cristal en los circuitos electrónicos se dividen en dos tipos: osciladores de cristal pasivos[^2] y osciladores de cristal activos. Los osciladores de cristal pasivos y activos tienen nombres ingleses diferentes. Los osciladores de cristal pasivos se llaman cristales, mientras que los osciladores de cristal activos se llaman osciladores.
- Oscilador de cristal pasivo: El oscilador de cristal pasivo es un componente no polarizado con 2 patillas. Necesita la ayuda de un circuito de reloj para generar una señal de oscilación. No puede oscilar por sí solo, por lo que el término "oscilador de cristal pasivo" no es preciso.
La calidad de la señal del oscilador de cristal pasivo es pobre, y generalmente requiere un ajuste preciso de los circuitos periféricos (condensadores, inductores, resistores, etc. para el ajuste de la señal). Cuando se reemplazan cristales de diferentes frecuencias, los circuitos de configuración periféricos también deben ajustarse en consecuencia. En general, se recomienda utilizar cristales de cuarzo de alta precisión y tratar de no utilizar cristales cerámicos de baja precisión.
- Oscilador de cristal activo: El oscilador de cristal activo tiene 4 patillas y es un oscilador completo. Además del cristal de cuarzo, también tiene transistores y resistores y condensadores, por lo que es más grande en tamaño. El paquete del oscilador de cristal activo tiene 4 patillas, a saber, VCC (voltaje), GND (tierra), OUT (salida de señal de reloj) y NC (patilla vacía).
Los osciladores de cristal activos no requieren el oscilador interno de la CPU, tienen señales estables, buena calidad y un método de conexión relativamente simple (principalmente filtrado de alimentación, generalmente utilizando un condensador y un inductor para formar una red de filtro, y un pequeño resistencia en la salida para filtrar la señal), y no requieren circuitos de configuración complejos.
¿Cuál es el papel del oscilador de cristal?
El oscilador de cristal es el componente más importante en el circuito de reloj. Su función principal es proporcionar una frecuencia de referencia a las diversas partes de los accesorios como las tarjetas gráficas, las tarjetas de red y las placas base. Es como una regla. Una frecuencia de trabajo inestable puede causar una frecuencia de trabajo inestable del equipo relacionado, lo que naturalmente propicia problemas. En condiciones de trabajo normales, la precisión absoluta de la frecuencia del oscilador de cristal común puede alcanzar 50 partes por millón, y los avanzados tienen una precisión aún mayor.
Otra función del oscilador de cristal es proporcionar una señal de reloj básica para el sistema. Por lo general, un sistema utiliza un oscilador de cristal para facilitar la sincronización de las diversas partes. Algunos sistemas de comunicación utilizan osciladores de cristal diferentes para la banda base y la frecuencia de radio, y los sincronizan ajustando electrónicamente la frecuencia.
¿Qué debe tenerse en cuenta en el diseño de PCB del circuito del oscilador de cristal?
Elegir la posición correcta: Hay un cristal de cuarzo dentro del oscilador de cristal. Si se cae accidentalmente o es golpeado por un impacto desconocido, el cristal de cuarzo es fácil de romper y dañar, por lo que el oscilador de cristal se coloca lejos del borde de la placa y cerca del MCU.
Dos cerca: El condensador de acoplamiento debe estar lo más cerca posible de la patilla de alimentación del oscilador de cristal. Si hay varios condensadores de acoplamiento, deben colocarse en orden desde el más grande hasta el más pequeño según la dirección del flujo de alimentación; el oscilador de cristal debe estar lo más cerca posible del MCU.
Cableado corto: Todos los cables que conectan los extremos de entrada/salida del oscilador de cristal deben ser lo más cortos posible para reducir la interferencia de ruido y la influencia de la capacitancia distribuida en el oscilador de cristal.
Alta independencia: Asegurarse de que no haya otros componentes alrededor del oscilador de cristal tanto como sea posible. Prevenir la interferencia mutua entre dispositivos y afectar la calidad de los relojes y otras señales. 1 mm alrededor del oscilador de cristal está prohibido colocar dispositivos, 0,5 mm está prohibido colocar vias, y no se perforan vias bajo todos los osciladores de cristal (incluyendo vias de tierra).
La cápsula debe estar conectada a tierra: La cápsula del oscilador de cristal debe estar conectada a tierra. Además de prevenir que el oscilador de cristal radie hacia afuera, también puede blindar la interferencia externa.
[^1]: Entender los osciladores de cristal es crucial para cualquier persona en electrónica, ya que son componentes fundamentales en muchos dispositivos.
[^2]: Explorar los osciladores de cristal pasivos mejorará su conocimiento sobre sus limitaciones y aplicaciones en los circuitos electrónicos.
