¿Qué es un oscilador? Todo lo que necesitas saber

Mark Harris
|  Creado: Octobre 29, 2020  |  Actualizado: Febrero 3, 2021
Todo lo que necesitas saber sobre osciladores

Prácticamente cada placa de circuito impreso fabricada en la historia reciente tiene un oscilador de alguna forma en ella, y la mayoría de los circuitos integrados contienen osciladores también. Puede que te estés preguntando, ¿qué es exactamente un oscilador? Los osciladores son componentes esenciales que producen una señal electrónica periódica, típicamente una onda senoidal o cuadrada. Los osciladores convierten la señal de CC en señales de CA periódicas que pueden ser utilizadas para establecer la frecuencia, ser usadas en aplicaciones de audio, o utilizadas como una señal de reloj. Todos los microcontroladores y microprocesadores requieren de un oscilador para establecer la señal de reloj para poder funcionar. Algunos dispositivos los tienen incorporados, y algunos requieren un oscilador externo - o ambos, teniendo un oscilador interno de baja precisión con la opción de que se le proporcione una señal externa.

Los dispositivos electrónicos usan la señal de reloj como una referencia de tiempo, permitiendo que las acciones se realicen de manera consistente. Otros dispositivos usan la señal del oscilador para generar otras frecuencias que pueden proporcionar funciones de audio o generar señales de radio.

Entender los diferentes tipos de osciladores y cómo funcionan puede permitirte elegir el oscilador correcto para tu proyecto. Si estás intentando crear una señal de radio, necesitarás un oscilador mucho más preciso de lo que podrías necesitar para otros dispositivos. Los osciladores son algo que puede pasarse por alto fácilmente en un proyecto, con la actitud de simplemente tomar cualquier oscilador viejo que esté dentro del rango de frecuencia especificado en la hoja de datos que se ajuste al espacio en la placa y a los requisitos de costo. Sin embargo, la elección puede ser sustancialmente más compleja, dependiendo de los requisitos de potencia para el PCB, el espacio disponible en la placa y la precisión de frecuencia que se requiere. Algunos osciladores operan con microamperios o menos de potencia, donde algunos necesitan varios amperios para operar.

Los osciladores se dividen en dos categorías principales: armónicos y de relajación. Los osciladores armónicos crean una forma de onda sinusoidal, los circuitos RC, LC, de tanque, resonadores cerámicos y osciladores de cristal todos entran en esta categoría.

En este artículo, vamos a ver:

  • Osciladores de Resistencia-Capacitancia (RC)
  • Osciladores de Inductancia-Capacitancia (LC)
  • Resonadores Cerámicos
  • Osciladores de Cuarzo
  • Módulos Osciladores de Cristal
  • Osciladores MEMS
  • Osciladores de Silicona

Aunque quizás no estés buscando construir un oscilador RC o LC por ti mismo, y en lugar de eso estés leyendo este artículo para informarte sobre osciladores empaquetados que simplemente puedes añadir a un circuito, voy a comenzar hablando sobre los osciladores RC y LC. Es esencial entender cómo funcionan y cuáles pueden ser sus desventajas, ya que muchos CI con osciladores integrados utilizan un circuito RC o LC. 

Entendiendo cómo funcionan, puedes comprender mejor cuándo es apropiado usar el oscilador integrado y cuándo es apropiado añadir una fuente de reloj externa. Si estás buscando aprender más sobre los osciladores y relojes, puedes fácilmente construir un oscilador RC o LC en una protoboard y probarlo con un osciloscopio. Antes de sumergirnos en eso, vamos a echar un vistazo rápido a una comparación entre cada tipo de oscilador.

Comparación de Rendimiento para Osciladores

Es importante señalar para la tabla a continuación que cada opción tiene una gran variedad de diferentes dispositivos disponibles en el mercado. Al observar los osciladores MEMS de frecuencia fija, por ejemplo, las opciones que se encuentran regularmente en stock en DigiKey varían entre 150 partes por millón hasta 50 partes por billón en términos de estabilidad de frecuencia. Este enorme rango de estabilidad de frecuencia también viene con una amplia gama de precios, por lo que, aunque un tipo de oscilador pueda tener opciones para una estabilidad o precisión extremadamente alta a lo largo de un amplio rango de temperaturas, no significa que otra opción no pueda ser más económica para tus requisitos de precisión. 

Como un ejemplo extremo de esto, el Connor-Winfield OX200-SC-010.0M 10MHz VCOCXO es un oscilador de cristal que tiene una estabilidad de frecuencia de solo +/- 1.5 partes por mil millones. El IQD Frequency Products LFRBXO059244BULK 10MHz oscilador atómico cuesta más de diez veces el precio en cantidades de una sola unidad para la misma estabilidad de frecuencia de +/- 1.5ppb. A pesar de esto, habrá momentos en los que el oscilador atómico de $2000 será la elección superior para un oscilador extremadamente preciso. IQD Frequency Products también fabrica un VCOCXO que tiene una estabilidad de frecuencia impresionante de +/- 1ppb en un rango de temperatura más amplio que el oscilador atómico. A menos del doble del precio del dispositivo de Connor-Winfield en volúmenes de una sola cantidad, y aún menos de diez veces más barato que la opción atómica. Es increíble para mí que podamos tener fuentes de reloj atómico fácilmente disponibles hoy en día, y aún más loco que podamos tener un oscilador de cristal que es más preciso por una fracción del precio.

Fuente de Reloj

Frecuencia

Precisión

Ventajas

Desventajas

Cristal de Cuarzo

10 kHz a 100 MHz

Media a Alta

Bajo Costo

Sensible a EMI, vibración y humedad.

Módulo Oscilador de Cristal

10 kHz a 100 MHz

De Medio a Extremo

Insensible a EMI y Humedad. No requiere componentes adicionales ni ajustes

Alto costo, alto consumo de energía, sensible a vibraciones, empaque grande

Resonador Cerámico

100 kHz a 10 MHz

Medio

Menor Costo

Sensible a EMI, vibraciones y humedad

Oscilador de Silicio Integrado

1 kHz a 170 MHz

Bajo a Medio

Insensible a EMI, Vibraciones y humedad. Arranque rápido, tamaño pequeño, no requiere componentes adicionales ni ajustes

La sensibilidad a la temperatura es peor que la de cerámica o cristal. Alto consumo de corriente.

Oscilador MEMS

Decenas de kHz a Cientos de MHz

Bajo a Extremo

Sencillo de diseñar, paquetes más pequeños, sin componentes externos, puede manejar múltiples cargas. 

Costoso

Oscilador RC

De Hz a 10 MHz

Muy Bajo

Costo más bajo

Generalmente sensible a EMI y humedad. Pobre desempeño en rechazo de temperatura y voltaje de alimentación

Oscilador LC

de kHz a cientos de MHz

Bajo

Costo Bajo

Suelen ser sensibles a la EMI y la humedad.
Mala ejecución en el rechazo de temperatura y voltaje de alimentación

Osciladores RC=rc>

Ahora que hemos tenido una visión general de las opciones, entremos directamente en el más básico de los osciladores y los principios detrás de él: el oscilador RC es uno que puedes construir fácilmente en una protoboard con componentes electrónicos muy básicos. Un Oscilador RC (resistor-capacitor) es un tipo de oscilador de retroalimentación que se construye usando resistencias y capacitores, junto con un dispositivo de amplificación como un transistor o un amplificador operacional. El dispositivo de amplificación se retroalimenta en la red RC, lo que causa una retroalimentación positiva y genera oscilaciones repetidas.

La mayoría de los microcontroladores y muchos otros circuitos integrados digitales que requieren una señal de reloj para realizar acciones contienen una red de oscilador RC dentro de ellos para crear su fuente de reloj interna.

RC Oscillator with positive feedback
Oscilador RC con realimentación positiva.

Principio de Funcionamiento

La red RC de un oscilador RC desplaza la fase de la señal en 180 grados.

Se necesita una retroalimentación positiva para desplazar la fase de la señal otros 180 grados. Este desplazamiento de fase nos da entonces 180 + 180 = 360 de desplazamiento de fase, que es efectivamente lo mismo que 0 grados. Por lo tanto, el desplazamiento total de fase del circuito necesita ser 0, 360, o otro múltiplo de 360 grados. 

Podemos utilizar el hecho de que ocurre un desplazamiento de fase entre la entrada a una red RC y la salida de la misma red, utilizando elementos RC interconectados en la rama de retroalimentación. En la imagen de arriba, podemos ver que cada red RC en cascada proporciona un retraso de voltaje fuera de fase de 60 grados. Tres redes juntas producen un desplazamiento de fase de 180 grados.

Para redes RC ideales, el máximo desplazamiento de fase puede ser de 90 grados. Por lo tanto, para crear un desplazamiento de fase de 180 grados, los osciladores requieren al menos dos redes RC. Sin embargo, es desafiante lograr precisamente 90 grados de desplazamiento de fase con cada etapa de red RC. Necesitamos usar más etapas de redes RC en cascada juntas para producir el valor requerido y la frecuencia de oscilación deseada.

Una red RC de polo único pura o ideal produciría un desplazamiento de fase máximo de exactamente 90 grados. Para la oscilación, requerimos 180 grados de desplazamiento de fase, por lo tanto, para crear un oscilador RC, debemos usar al menos dos redes de polo único. 

El desplazamiento de fase real de la red RC depende del valor del resistor y del capacitor elegidos para la frecuencia deseada.

RC Phase Angle Calculation
Cálculo del ángulo de fase RC

Al conectar en cascada varias redes RC, podemos obtener 180 grados de desplazamiento de fase en la frecuencia elegida. Esta cascada de redes forma la base para el oscilador RC, también conocido como Oscilador de Desplazamiento de Fase. Agregando una etapa de amplificación que utiliza un transistor de unión bipolar o un amplificador inversor, podemos producir un desplazamiento de fase de 180 grados entre su entrada y salida para proporcionar el cambio completo de 360 grados de vuelta a 0 grados que requerimos, como se mencionó anteriormente.

Esquema Básico del Oscilador RC

El circuito primario del Oscilador RC produce una señal de salida de onda senoidal utilizando retroalimentación regenerativa obtenida de la red de escalera RC. La retroalimentación regenerativa ocurre debido a la capacidad del capacitor para almacenar una carga eléctrica.

Resistor capacitor feedback


La red de retroalimentación de Resistencia-Capacitancia puede conectarse para producir un desfase de fase adelantado (red de avance de fase) o puede conectarse para crear un desfase de fase retrasado (red de retardo de fase). Uno o más resistores o capacitores del circuito de desfase de fase RC pueden cambiarse para modificar la frecuencia de la red. Este cambio se puede realizar manteniendo los resistores iguales y utilizando capacitores variables porque la reactancia capacitiva varía con la frecuencia. Sin embargo, para la nueva frecuencia, podría haber un requisito para ajustar la ganancia de voltaje del amplificador.

Si elegimos los resistores y capacitores para las redes RC, entonces la frecuencia de las oscilaciones RC sería:

frequency of RC oscillations


R - Resistencia de los resistores de retroalimentación
C - Capacitancia de los capacitores de retroalimentación
N - Número de redes RC en cascada

Sin embargo, la combinación de la red Oscilador RC funciona como un atenuador, y reduce la señal en cierta cantidad a medida que pasa a través de cada etapa RC. Por lo tanto, la ganancia de voltaje de la etapa del amplificador debe ser suficiente para restaurar la señal perdida. 

El circuito oscilador RC más común es un Op-Amp Phase-Lead RC Oscillator.

Operational Amplifier
[Oscilador RC con adelanto de fase de amplificador operacional.]

La red RC necesita conectarse a la entrada inversora del Op-Amp, convirtiéndola en la configuración de amplificador inversor. La configuración inversora proporciona un desfase de 180 grados en la salida, lo que lleva a un total de 360 grados combinados con las redes RC.

La otra configuración del oscilador RC es el oscilador de desfase de fase con amplificador operacional.

Operational Amplifier
[Oscilador RC con retraso de fase de amplificador operacional.]

 

Phase Lag RC Oscillator Equation
[Ecuación del oscilador RC con retraso de fase de amplificador operacional.]

Oscilador LC

El Oscilador LC o Inductor-Capacitor es un tipo de oscilador que utiliza un circuito tanque para producir retroalimentación positiva para sostener la oscilación. El esquemático contiene un inductor, un capacitor y también un componente amplificador. 

Principio de Funcionamiento

El circuito tanque es un capacitor y un inductor conectados en paralelo, el diagrama anterior también incluye el interruptor y la fuente de voltaje para facilitar la demostración del principio de funcionamiento cuando el interruptor conecta el capacitor a la fuente de voltaje, el capacitor se carga.

capacitor and inductor


Cuando el interruptor conecta el capacitor y inductor, el capacitor se descarga a través del inductor. La corriente creciente a través del inductor comienza a almacenar energía induciendo un campo electromagnético alrededor de la bobina. 

Cuando el interruptor conecta el capacitor y el inductor, el capacitor se descarga a través del inductor. La corriente creciente a través del inductor comienza a almacenar energía induciendo un campo electromagnético alrededor de la bobina. Después de descargar el capacitor, la energía de este se ha transferido al inductor como un campo electromagnético. A medida que el flujo de energía del capacitor disminuye, el flujo de corriente a través del inductor disminuye - esto causa que el campo electromagnético del inductor también disminuya. Debido a la inducción electromagnética, el inductor creará una FEM de retorno, que es igual a L(di/dt) en oposición al cambio de corriente. Esta FEM de retorno entonces comienza a cargar el capacitor. Una vez que el capacitor ha absorbido la energía del campo magnético del inductor, la energía se almacena una vez más como un campo electrostático dentro del capacitor.

Si tuviéramos un inductor y un capacitor ideales, este circuito podría generar las oscilaciones para siempre. Sin embargo, un capacitor tiene fugas de corriente, y los inductores tienen resistencia. En la vida real, sin embargo, las oscilaciones se verían como a continuación, ya que se pierde energía. Esta pérdida se llama amortiguación.

Oscillator Damping in a Simulation
[Amortiguación del oscilador en una simulación.]

Si queremos sostener las oscilaciones, necesitamos compensar la pérdida de energía del circuito tanque mediante la adición de componentes activos al circuito, tales como transistores de unión bipolar, transistores de efecto de campo eléctrico o amplificadores operacionales. La función principal de los componentes activos es añadir la ganancia necesaria, ayudar a generar retroalimentación positiva y compensar la pérdida de energía.

Oscilador de Colector Sintonizado

Tuned Collector Oscillator


El oscilador de colector sintonizado es un transformador y un capacitor conectados en paralelo y conmutados con un transistor. Este circuito es el esquemático más básico de un oscilador LC. La bobina primaria del transformador y el capacitor forman el circuito tanque, con la bobina secundaria proporcionando retroalimentación positiva, que devuelve parte de la energía producida por el circuito tanque a la base del transistor.

Oscilador de Colpitts

Un Oscilador de Colpitts es un oscilador LC Tank que ha sido muy común en aplicaciones de RF. Es adecuado para aplicaciones de hasta varios cientos de megahercios. Este circuito consta de dos capacitores en serie, formando un divisor de voltaje, que proporciona retroalimentación al transistor, con un inductor en paralelo. Aunque este oscilador es relativamente estable, puede ser difícil de sintonizar y a menudo se implementa con un circuito seguidor de emisor para no cargar la red resonante.

Colpitts Oscillator


Oscilador Clapp

Para superar las dificultades de sintonización del oscilador de Colpitts a una frecuencia específica en producción, a menudo se agrega un capacitor variable en serie con el inductor, formando un Oscilador Clapp. Esta modificación permite que el circuito se sintonice durante la producción y el servicio a la frecuencia específica requerida. Desafortunadamente, este tipo de oscilador LC todavía es bastante sensible a las fluctuaciones de temperatura y la capacitancia parásita.

Clapp Oscillator


Resonador Cerámico

El material cerámico piezoeléctrico con dos o más electrodos metálicos (típicamente 3) forma la base de un resonador cerámico. En un circuito electrónico, el elemento piezoeléctrico resuena mecánicamente, lo que genera una señal oscilante de una frecuencia específica, como un diapasón. Los resonadores cerámicos son de bajo costo; sin embargo, la tolerancia de frecuencia de los resonadores cerámicos es solo de aproximadamente 2500 - 5000 ppm. Esta tolerancia del 0.25% al 0.5% de la frecuencia objetivo no es adecuada para aplicaciones de precisión, pero pueden representar un considerable ahorro de costos donde la exactitud absoluta no es requerida.

Piezoelectric ceramic material
[Resonadores cerámicos Murata: Fuente]

Con frecuencias desde menos de 1kHz hasta más de 1GHz, hay una gama de diferentes materiales y modos de vibración que utilizan los resonadores cerámicos. Puede ser esencial entender el método de resonancia utilizado en un dispositivo que estás incorporando a tu diseño. Factores ambientales como la vibración y el choque podrían impactar la función del resonador dentro de tu circuito.

Vibration Mode and Frequency Range
[Modo de vibración y rango de frecuencia: Fuente]

Oscilador de Cuarzo

El oscilador de cuarzo es el tipo más común de oscilador de cristal en el mercado. Donde la precisión y estabilidad son críticas, la elección principal son los osciladores de cristal y sus variantes. La estabilidad de un oscilador de cristal se mide en ppm (partes por millón), y la estabilidad podría estar en algún lugar alrededor del 0.01% al 0.0001% entre -20 y +70 grados Celsius, dependiendo del dispositivo específico. La estabilidad de un oscilador RC puede ser en el mejor de los casos del 0.1% y la de un LC del 0.01%, pero más típicamente están alrededor del 2% y son muy sensibles a los cambios de temperatura. Un cristal de cuarzo puede oscilar con muy poca energía requerida para mantenerlo activado en comparación con muchos otros osciladores, haciéndolos perfectos para aplicaciones de baja potencia. 

Cuando el cristal es excitado por choque, ya sea por una compresión física o, en nuestro caso, por un voltaje aplicado, vibrará mecánicamente a una frecuencia específica. Esta vibración continuará durante algún tiempo, generando un voltaje de corriente alterna entre sus terminales. Este comportamiento es el efecto piezoeléctrico, el mismo que el de un resonador cerámico. En comparación con un circuito LC, la oscilación del cristal después de la excitación inicial durará más tiempo, resultado del naturalmente alto valor Q del cristal. Para un cristal de cuarzo de alta calidad, un Q de 100,000 no es inusual. Los circuitos LC típicamente tienen un Q de alrededor de unos pocos cientos. Sin embargo, incluso con el Q mucho más alto, no pueden resonar para siempre. Hay pérdidas por la vibración mecánica, por lo que necesita un circuito amplificador como los osciladores RC y LC. Para la mayoría de los dispositivos que tomarán una fuente de reloj de cristal externo, esto estará integrado en el dispositivo, y los únicos componentes electrónicos adicionales requeridos son los capacitores de carga. Los capacitores de carga son esenciales; si la capacitancia de estos es incorrecta, el oscilador no será estable. Típicamente, la hoja de datos del oscilador contendrá valores sugeridos, o proporcionará una ecuación para calcular el valor correcto para su circuito.

Otras cosas a considerar:

  1. Coloque tanto los capacitores como el cristal de cuarzo lo más cerca posible del MCU
  2. Utilice trazas lo más cortas y anchas posibles para prevenir la inductancia parásita.

Existen muchas variantes del oscilador de cristal; sin embargo, más allá de un cristal típico, o "XO", normalmente solo utilizará las otras opciones para aplicaciones especializadas. Estos osciladores especializados pueden ser muy costosos y tener oscilaciones asombrosamente estables y precisas en entornos increíblemente desafiantes donde se requiere precisión absoluta. La gran mayoría de los proyectos no necesitarán nada más allá de un TCXO de la lista a continuación, pero podría encontrarlos interesantes para investigar más. 

Esta lista es de Wikipedia:

  • ATCXO — Oscilador de cristal controlado analógicamente por temperatura
  • CDXO — Oscilador de cristal dual calibrado
  • DTCXO — Oscilador de cristal compensado digitalmente por temperatura
  • EMXO — Oscilador de cristal miniatura evacuado
  • GPSDO — Oscilador disciplinado por sistema de posicionamiento global
  • MCXO — Microcomputadora-compensada oscilador de cristal
  • OCVCXO — controlado por horno oscilador de cristal controlado por voltaje
  • OCXO — Oscilador de cristal controlado por horno
  • RbXO — Rubidio osciladores de cristal (RbXO), un oscilador de cristal (puede ser un MCXO) sincronizado con un estándar de rubidio incorporado que se activa solo ocasionalmente para ahorrar energía
  • TCVCXO — Oscilador de cristal compensado por temperatura y controlado por voltajeTCXO — Oscilador de cristal compensado por temperatura
  • TMXO – Oscilador de cristal táctico miniatura
  • TSXO — Oscilador de cristal sensible a la temperatura, una adaptación del TCXO
  • VCTCXO — Oscilador de cristal compensado por temperatura y controlado por voltaje
  • VCXO — Oscilador de cristal controlado por voltaje
  • Módulos de Oscilador de Cristal

    Supongamos que estás buscando una fuente de reloj precisa para una aplicación que no tiene la circuitería de amplificación necesaria para utilizar un oscilador de cristal. En ese caso, un módulo oscilador podría ser una gran solución. Estos módulos tienen toda la circuitería necesaria incorporada para proporcionar un reloj amplificado y con buffer para cualquier aplicación que requieras. Como con muchos dispositivos completamente integrados, pagas por la conveniencia, los precios son típicamente más altos que el propio oscilador de cristal, y tienen una huella más grande. A pesar de esto, aún pueden ser más pequeños que construir la circuitería de amplificación y buffer de un oscilador y no tienes que preocuparte por la estabilidad.

    La mayoría de los módulos osciladores tienen un cristal y una puerta inversora CMOS, utilizando un circuito oscilador de Pierce. Aunque los inversores CMOS son menos estables y tienen un mayor consumo de energía que los osciladores basados en transistores, las puertas basadas en inversores CMOS son fáciles y completamente utilizables en muchas aplicaciones. 

    Osciladores MEMS

    Los osciladores MEMS o sistemas microelectromecánicos son dispositivos de temporización precisos basados en tecnología MEMS, y son una tecnología relativamente nueva. Los osciladores MEMS consisten en resonadores MEMS, OpAmps, y componentes electrónicos adicionales para establecer o ajustar sus frecuencias de salida. Los osciladores MEMS a menudo incluyen bucles de fase bloqueada que producen frecuencias de salida seleccionables o programables.

    El funcionamiento de los resonadores MEMS es similar al de un pequeño diapasón que resuena a altas frecuencias. Debido a que los dispositivos MEMS son pequeños, pueden resonar a frecuencias muy altas, con sus estructuras resonantes afinadas produciendo frecuencias desde decenas de kHz hasta cientos de MHz. 

    Los resonadores MEMS son mecánicamente impulsados y se dividen en dos categorías: electrostáticos y piezoeléctricos. Principalmente, los osciladores MEMS utilizarán la transducción electrostática, ya que los resonadores de transducción piezoeléctrica no son suficientemente estables. Los resonadores MEMS de transducción piezoeléctrica se utilizan en aplicaciones de filtrado.

    Una de las principales ventajas de los osciladores MEMS es que pueden ser utilizados para múltiples cargas, reemplazando a varios osciladores de cristal dentro de un circuito. Esta característica puede ofrecer reducciones significativas en precio y en el espacio utilizado en la placa por los circuitos osciladores. Comparados con otros circuitos osciladores, incluso los de cristal, el consumo de energía de los dispositivos MEMS es extremadamente bajo debido al menor consumo de corriente del núcleo. El bajo consumo de energía puede permitir que los dispositivos alimentados por batería funcionen sustancialmente más tiempo, o negar la necesidad de apagar el circuito oscilador principal para ahorrar energía. Los osciladores MEMS, a diferencia de otros osciladores, no requieren de componentes externos para operar, ofreciendo aún más ahorros en espacio y costo. Los primeros osciladores MEMS tuvieron ciertas dificultades con la estabilidad, y hay opciones en el mercado con una estabilidad de frecuencia de +/- 8 partes por mil millones, si estás dispuesto a pagar por ello.  

    Osciladores de Silicio

    Como se mencionó al inicio del artículo, muchos dispositivos tienen osciladores integrados en su silicio. Los osciladores de silicio son mayormente iguales, solo que en un paquete separado. Este circuito integrado te proporciona un circuito oscilador RC completo construido a partir de silicio. Ofrece una mejor coincidencia y compensación de lo que típicamente podrías lograr por un costo similar usando componentes pasivos, en un paquete más pequeño. Los osciladores de silicio pueden ser un gran activo para dispositivos que sufrirán impactos o experimentarán vibraciones, ya que no tienen elementos mecánicamente resonantes. En la mayoría de los sitios web de proveedores, encontrarás estos bajo la categoría de Circuitos Integrados en lugar de la categoría de Osciladores.

    Además de las ventajas sobre otros osciladores en entornos difíciles, un oscilador de silicio es típicamente programable. Las opciones de programación dependen del dispositivo específico; sin embargo, una resistencia para ajuste de frecuencia o una interfaz SPI/I2C es común. Aunque los osciladores de silicio usualmente tienen un error de frecuencia relativamente pobre de aproximadamente 1-2%, son compactos y solo requieren un capacitor de desacople de fuente de alimentación. Pueden ser una alternativa de bajo costo a otros tipos de osciladores en aplicaciones no precisas.

    Resumen

    Elegir la fuente de reloj óptima no es fácil. Hay muchos factores, como la estabilidad general, sensibilidad sobre temperatura, vibración, humedad, EMI, costo, tamaño, consumo de energía, diseño sofisticado y componentes adicionales. 

    Hay muchas aplicaciones donde los osciladores integrados RC o de silicio son adecuados ya que esas aplicaciones no requieren precisión adicional. Utilizar un oscilador interno puede ahorrar tiempo de diseño, costos y reducir el riesgo de ingeniería. Sin embargo, las aplicaciones modernas requieren cada vez más alta precisión, lo que exige el uso de un oscilador externo, como cristal de cuarzo, cerámico o MEMS.

    Como ejemplo, el USB de alta velocidad requiere una precisión de frecuencia mínima del 0.25%, mientras que algunas otras comunicaciones externas pueden funcionar correctamente con fuentes de reloj de 5%, 10% o incluso 20% de estabilidad. Otras aplicaciones de buses de alta velocidad y RF a menudo requieren mucha más precisión de frecuencia que el USB.

    El consumo de energía de los osciladores para microcontroladores depende de la corriente de suministro del amplificador de retroalimentación y de los valores de capacitancia utilizados. El consumo de energía de esos amplificadores depende principalmente de la frecuencia, así que si quieres diseñar un dispositivo de muy bajo consumo, considera reducir tu frecuencia de reloj al mínimo con el cual tu dispositivo aún pueda completar su trabajo. A menudo encontrarás que un microcontrolador tiene muchos ciclos de reloj sobrantes, todos los cuales están consumiendo energía innecesariamente.

    Los circuitos de resonador cerámico suelen especificar valores de capacitancia de carga mayores que los circuitos de cristal y consumen aún más corriente que un circuito de cristal utilizando el mismo amplificador. En comparación, los módulos de oscilador de cristal suelen consumir entre 10mA y 60mA de corriente de suministro debido a las funciones de compensación de temperatura y control incluidas.

    Hay muchos tipos de osciladores disponibles en el mercado, cada uno con sus propios pros y contras. Para aplicaciones de propósito general donde el tiempo preciso no es absolutamente crítico, puedes usar casi cualquier dispositivo o circuito oscilador que cumpla con las demandas de frecuencia. Para circuitos de mayor precisión, es posible que quieras considerar dispositivos de mayor costo como los osciladores MEMS que pueden ofrecer partes por mil millones de estabilidad de frecuencia incluso sobre un amplio rango de temperatura, sin embargo, espera pagar decenas o cientos de dólares por oscilador.

    Si estás construyendo un controlador de LED o circuitos similares que solo necesitan un microcontrolador para ejecutar algún código de gestión o interfaz de usuario, el oscilador RC integrado te proporcionará todo lo que necesitas. Supongamos que estás trabajando en un submarino de aguas profundas que puede rastrear su posición con precisión. En ese caso, un oscilador que tenga una estabilidad de solo unas pocas partes por mil millones en un amplio rango de temperaturas podría ser lo mínimo con lo que puedas conformarte. Cuanto más estrechamente quieras integrar datos de sensores, o cuanto más estrecha sea la banda que quieras usar para las comunicaciones por radio, más estable debe ser tu oscilador. Supongamos que estás multiplicando tu frecuencia sustancialmente, por ejemplo. En ese caso, estás creando una señal de gigahercios a partir de un oscilador de megahercios, más estable necesitarás que sea el oscilador ya que cualquier error va a ser magnificado.

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Sobre el autor / Sobre la autora

Sobre el autor / Sobre la autora

Mark Harris es un ingeniero experto, con más de 12 años de experiencia diversa en el sector de la electrónica, que abarca desde contratos aeroespaciales y de defensa hasta pequeñas empresas emergentes, hobbies, etc. Antes de trasladarse al Reino Unido, Mark trabajaba para uno de los centros de investigación más grandes de Canadá –cada día traía consigo un proyecto o desafío diferente que involucraba electrónica, mecánica y software–. Asimismo, publica la biblioteca de base de datos de componentes de código abierto más extensa para Altium Designer, conocida como "Celestial Database Library". A Mark le atraen el hardware y el software de código abierto, así como encontrar soluciones innovadoras a los desafíos diarios que plantean estos proyectos. La electrónica es pura pasión: ver un producto pasar de una idea a convertirse en realidad y comenzar a interactuar con el mundo es una fuente de placer inagotable.
Se puede contactar con Mark directamente en: mark@originalcircuit.com

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