O Que É Um Oscilador? Tudo O Que Você Precisa Saber

Mark Harris
|  Criada: Outubro 29, 2020  |  Atualizada: Fevereiro 3, 2021
Tudo o Que Você Precisa Saber Sobre Osciladores

Praticamente todas as placas de circuito impresso fabricadas recentemente possuem algum tipo de oscilador em sua composição, e a maioria dos circuitos integrados também contém osciladores. Você pode estar se perguntando, o que exatamente é um oscilador? Osciladores são componentes essenciais que produzem um sinal eletrônico periódico, tipicamente uma onda senoidal ou quadrada. Osciladores convertem sinal DC em sinais AC periódicos que podem ser usados para definir frequência, ser utilizados em aplicações de áudio, ou usados como um sinal de relógio. Todos os microcontroladores e microprocessadores requerem um oscilador para definir o sinal de relógio para funcionar. Alguns dispositivos têm osciladores integrados, e outros requerem um oscilador externo - ou ambos, tendo um oscilador interno de baixa precisão com a opção de um sinal externo ser fornecido.

Dispositivos eletrônicos usam o sinal de relógio como uma referência de tempo, permitindo que ações sejam realizadas de maneira consistente. Outros dispositivos usam o sinal do oscilador para gerar outras frequências que podem fornecer funções de áudio ou gerar sinais de rádio.

Entender os diferentes tipos de osciladores e como eles funcionam pode permitir que você escolha o oscilador correto para o seu projeto. Se você está tentando criar um sinal de rádio, precisará de um oscilador muito mais preciso do que poderia precisar para outros dispositivos. Os osciladores são algo que pode ser facilmente negligenciado em um projeto, com a atitude de simplesmente pegar qualquer oscilador antigo que esteja dentro da faixa de frequência especificada na ficha técnica que atenda aos requisitos de espaço na placa e custo. No entanto, pode haver muito mais na escolha; dependendo dos requisitos de energia para a PCB, espaço na placa e a precisão de frequência que é necessária. Alguns osciladores operam com microampères ou menos de potência, onde alguns precisam de vários ampères para operar.

Os osciladores se dividem em duas categorias principais: Harmônicos e de relaxamento. Os osciladores harmônicos criam uma forma de onda senoidal, circuitos RC, LC, tanques, ressonadores cerâmicos e osciladores de cristal todos se enquadram nesta categoria.

Neste artigo, vamos olhar para:

  • Osciladores Resistor-Capacitor (RC)
  • Osciladores Indutor-Capacitor (LC)
  • Resonadores Cerâmicos
  • Osciladores de Quartzo
  • Módulos Osciladores de Cristal
  • Osciladores MEMS
  • Osciladores de Silicone

Embora você possa não estar procurando construir um oscilador RC ou LC por conta própria, e esteja lendo este artigo para obter informações sobre osciladores embalados que você pode simplesmente adicionar a um circuito - vou começar falando sobre osciladores RC e LC. É essencial entender como eles funcionam e quais podem ser suas desvantagens, pois muitos CI's com osciladores integrados usam um circuito RC ou LC. 

Ao entender como funcionam, você pode compreender melhor quando é apropriado usar o oscilador integrado e quando é apropriado adicionar uma fonte de relógio externa. Se você está procurando aprender mais sobre os osciladores e relógios, você pode facilmente construir um oscilador RC ou LC em uma protoboard e testá-lo com um osciloscópio. Antes de mergulharmos nisso, vamos dar uma rápida olhada em uma comparação entre cada tipo de oscilador.

Comparação de Desempenho para Osciladores

Vale ressaltar, para a tabela abaixo, que cada opção possui uma vasta variedade de diferentes dispositivos disponíveis no mercado. Ao olhar para osciladores MEMS de frequência fixa, por exemplo, as opções que são regularmente estocadas na DigiKey variam entre 150 partes por milhão até 50 partes por bilhão em termos de estabilidade de frequência. Esta enorme gama de estabilidade de frequência também vem com uma grande variedade de preços, então, enquanto um tipo de oscilador pode ter opções para estabilidade ou precisão extremamente alta em uma ampla faixa de temperatura, isso não significa que outra opção não possa ser mais barata para suas necessidades de precisão. 

Como um exemplo extremo disso, o Connor-Winfield OX200-SC-010.0M 10MHz VCOCXO é um oscilador de cristal que possui uma estabilidade de frequência de apenas +/- 1,5 partes por bilhão. O IQD Frequency Products LFRBXO059244BULK 10MHz oscilador atômico custa mais de dez vezes o preço em quantidades unitárias pela mesma estabilidade de frequência de +/- 1,5ppb. Apesar disso, haverá momentos em que o oscilador atômico de $2000 será a escolha superior para um oscilador extremamente preciso. A IQD Frequency Products também fabrica um VCOCXO que possui uma estabilidade de frequência impressionante de +/- 1ppb em uma faixa de temperatura mais ampla do que o oscilador atômico. Por menos de duas vezes o preço do dispositivo Connor-Winfield em volumes de quantidade única, e ainda menos de dez vezes mais barato que a opção atômica. É incrível para mim que podemos ter fontes de relógio atômico prontamente disponíveis hoje, e ainda mais louco que podemos ter um oscilador de cristal que é mais preciso por uma fração do preço.

Fonte de Relógio

Frequência

Precisão

Vantagens

Desvantagens

Cristal de Quartzo

10 kHz a 100 MHz

Média a Alta

Baixo Custo

Sensível a EMI, vibração e umidade.

Módulo Oscilador de Cristal

10 kHz a 100 MHz

Médio a Extremo

Insensível a EMI e Umidade. Sem componentes adicionais ou problemas de compatibilidade

Custo alto, alto consumo de energia, sensível a vibração, embalagem grande

Resonador Cerâmico

100 kHz a 10 MHz

Médio

Menor Custo

Sensível a EMI, vibração e umidade

Oscilador de Silício Integrado

1 kHz a 170 MHz

Baixo a Médio

Insensível a EMI, Vibração e umidade. Inicialização rápida, tamanho pequeno, sem componentes adicionais ou problemas de compatibilidade

Sensibilidade à Temperatura é pior que cerâmica ou cristal. Alta corrente de alimentação.

Oscilador MEMS

Dezenas de kHz a Centenas de MHz

Baixo a Extremo

Simples de projetar, Embalagens menores, sem componentes externos, Pode acionar múltiplas cargas.

Caro

Oscilador RC

De Hz a 10 MHz

Muito Baixo

Menor Custo

Normalmente sensível a EMI e umidade. Desempenho pobre de rejeição de temperatura e tensão de alimentação

Oscilador LC

de kHz a centenas de MHz

Baixo

Baixo Custo

Geralmente sensíveis a EMI e umidade.
Desempenho ruim de rejeição de temperatura e tensão de alimentação

Osciladores RC=rc>

Agora que tivemos uma visão geral das opções, vamos direto ao mais básico dos osciladores e aos princípios por trás dele - o oscilador RC é um que você pode facilmente construir em uma protoboard com componentes eletrônicos muito básicos. Um Oscilador RC (resistor-capacitor) é um tipo de oscilador de feedback que é construído usando resistores e capacitores, juntamente com um dispositivo de amplificação, como um transistor ou amplificador operacional. O dispositivo de amplificação retroalimenta na rede RC, o que causa feedback positivo e gera oscilações repetidas.

A maioria dos microcontroladores e muitos outros circuitos integrados digitais que requerem um sinal de relógio para realizar ações contêm uma rede osciladora RC dentro deles para criar sua fonte de relógio interna.

RC Oscillator with positive feedback
Oscilador RC com realimentação positiva.

Princípio de Funcionamento

A rede RC de um oscilador RC desloca a fase do sinal em 180 graus.

O feedback positivo é necessário para deslocar a fase do sinal para outros 180 graus. Esse deslocamento de fase nos dá 180 + 180 = 360 de deslocamento de fase, que é efetivamente o mesmo que 0 graus. Portanto, o deslocamento de fase total do circuito precisa ser de 0, 360 ou outro múltiplo de 360 graus. 

Podemos usar o fato de que um deslocamento de fase ocorre entre a entrada de uma rede RC e a saída da mesma rede, usando elementos RC interconectados no ramo de feedback. Na imagem acima, podemos ver que cada rede RC em cascata fornece um atraso de tensão de fase de 60 graus. Três redes juntas produzem um deslocamento de fase de 180 graus.

Para redes RC ideais, o máximo deslocamento de fase pode ser de 90 graus. Portanto, para criar um deslocamento de fase de 180 graus, osciladores requerem pelo menos duas redes RC. No entanto, é desafiador alcançar precisamente 90 graus de deslocamento de fase com cada estágio de rede RC. Precisamos usar mais estágios de redes RC em cascata juntos para produzir o valor requerido e a frequência de oscilação desejada.

Uma rede RC de polo único pura ou ideal produziria um deslocamento de fase máximo de exatamente 90 graus. Para oscilação, precisamos de 180 graus de deslocamento de fase, portanto, para criar um oscilador RC, devemos usar pelo menos duas redes de polo único. 

O deslocamento de fase real da rede RC depende do valor do resistor e do capacitor escolhidos para a frequência desejada.

RC Phase Angle Calculation
Cálculo do ângulo de fase RC.

Ao cascatear várias redes RC, podemos obter 180 graus de deslocamento de fase na frequência escolhida. Esta cascata de redes forma a base para o oscilador RC, também conhecido como Oscilador de Deslocamento de Fase. Adicionando um estágio de amplificação utilizando um transistor de junção bipolar ou amplificador inversor, podemos produzir um deslocamento de fase de 180 graus entre sua entrada e saída para fornecer o deslocamento total de 360 graus de volta a 0 graus que precisamos, conforme mencionado acima.

Esquema Básico do Oscilador RC

O circuito primário do Oscilador RC produz um sinal de saída de onda senoidal usando feedback regenerativo obtido da rede de escada RC. O feedback regenerativo ocorre devido à capacidade do capacitor de armazenar uma carga elétrica.

Resistor capacitor feedback


A rede de feedback Resistor-Capacitor pode ser conectada para produzir um deslocamento de fase avançado (rede de avanço de fase) ou pode ser conectada para criar um deslocamento de fase atrasado (rede de atraso de fase). Um ou mais resistores ou capacitores do circuito de deslocamento de fase RC podem ser alterados para modificar a frequência da rede. Essa mudança pode ser feita mantendo os resistores iguais e usando capacitores variáveis, pois a reatância capacitiva varia com a frequência. No entanto, para a nova frequência, pode haver a necessidade de ajustar o ganho de tensão do amplificador.

Se escolhermos os resistores e capacitores para redes RC, então a frequência das oscilações RC seria:

frequency of RC oscillations


R - Resistência dos resistores de feedback
C - Capacitância dos capacitores de feedback
N - Número de redes RC em cascata

Contudo, a combinação da rede Osciladora RC funciona como um atenuador, e reduz o sinal por uma certa quantidade à medida que passa por cada estágio RC. Portanto, o ganho de tensão do estágio do amplificador deve ser suficiente para restaurar o sinal perdido. 

O circuito oscilador RC mais comum é um Op-Amp Phase-Lead Oscilador RC.

Operational Amplifier
[Oscilador RC com avanço de fase de amplificador operacional.]

A rede RC precisa ser conectada à entrada inversora do Op-Amp, tornando-a a configuração de amplificador inversor. A configuração inversora proporciona um deslocamento de fase de 180 graus na saída, levando a um total de 360 graus combinados com as redes RC.

A outra configuração do oscilador RC é o oscilador de defasagem de fase com amplificador operacional.

Operational Amplifier
[Oscilador RC com atraso de fase de amplificador operacional.]

 

Phase Lag RC Oscillator Equation
[Equação do Oscilador RC com atraso de fase de amplificador operacional.]

Oscilador LC

Oscilador LC ou Oscilador de Indutor-Capacitor é um tipo de oscilador que utiliza um circuito tanque para produzir retroalimentação positiva para sustentar a oscilação. O esquemático contém um indutor, um capacitor e também um componente amplificador. 

Princípio de Funcionamento

O circuito tanque é um capacitor e um indutor conectados em paralelo, o diagrama acima também inclui o interruptor e a fonte de tensão para facilitar a demonstração do princípio de funcionamento quando o interruptor conecta o capacitor à tensão de alimentação, o capacitor carrega.

capacitor and inductor


Quando o interruptor conecta o capacitor e o indutor, o capacitor descarrega através do indutor. A corrente crescente através do indutor começa a armazenar energia induzindo um campo eletromagnético ao redor da bobina. 

Quando o interruptor conecta o capacitor e o indutor, o capacitor descarrega através do indutor. A corrente crescente através do indutor começa a armazenar energia induzindo um campo eletromagnético ao redor da bobina. Após descarregar o capacitor, a energia dele é transferida para o indutor como um campo eletromagnético. À medida que o fluxo de energia do capacitor diminui, o fluxo de corrente através do indutor diminui - isso faz com que o campo eletromagnético do indutor também caia. Devido à indução eletromagnética, o indutor criará uma força eletromotriz reversa (FEM), que é igual a L(di/dt) em oposição à mudança de corrente. Essa FEM reversa então começa a carregar o capacitor. Uma vez que o capacitor absorveu a energia do campo magnético do indutor, a energia é armazenada novamente como um campo eletrostático dentro do capacitor.

Se tivéssemos um indutor e um capacitor ideais, esse circuito poderia gerar as oscilações para sempre. No entanto, um capacitor tem vazamento de corrente, e os indutores têm resistência. Na vida real, no entanto, as oscilações seriam como abaixo, já que energia é perdida. Essa perda é chamada de amortecimento.

Oscillator Damping in a Simulation
[Amortecimento do oscilador em uma simulação.]

Se quisermos sustentar as oscilações, precisamos compensar a perda de energia do circuito tanque através da adição de componentes ativos ao circuito, tais como transistores de junção bipolar, transistores de efeito de campo elétrico ou amplificadores operacionais. A função primária dos componentes ativos é adicionar o ganho necessário, ajudar a gerar feedback positivo e compensar a perda de energia.

Oscilador de Coletor Sintonizado

Tuned Collector Oscillator


O oscilador de coletor sintonizado é um transformador e um capacitor conectados em paralelo e comutados por um transistor. Este circuito é o esquema mais básico de um oscilador LC. A bobina primária do transformador e o capacitor formam o circuito tanque, com a bobina secundária fornecendo feedback positivo, que retorna parte da energia produzida pelo circuito tanque à base do transistor.

Oscilador de Colpitts

Um Oscilador de Colpitts é um oscilador LC Tank que tem sido muito comum em aplicações de RF. É adequado para aplicações de até várias centenas de megahertz. Este circuito consiste em dois capacitores em série, formando um divisor de tensão, que fornece feedback ao transistor, com um indutor em paralelo. Embora este oscilador seja relativamente estável, pode ser difícil de sintonizar e muitas vezes é implementado com um circuito seguidor de emissor para não carregar a rede ressonante.

Colpitts Oscillator


Oscilador Clapp

Para superar as dificuldades de sintonizar o oscilador de Colpitts para uma frequência específica na produção, muitas vezes é adicionado um capacitor variável em série com o indutor, formando um Oscilador Clapp. Esta modificação permite que o circuito seja sintonizado durante a produção e o serviço para a frequência específica necessária. Infelizmente, este tipo de oscilador LC ainda é bastante sensível a flutuações de temperatura e capacitância parasita.

Clapp Oscillator


Resonador Cerâmico

Material cerâmico piezoelétrico com dois ou mais eletrodos metálicos (tipicamente 3) forma a base de um resonador cerâmico. Em um circuito eletrônico, o elemento piezoelétrico ressoa mecanicamente, o que gera um sinal oscilante de uma frequência específica - como um diapasão. Os resonadores cerâmicos têm baixo custo; no entanto, a tolerância de frequência dos resonadores cerâmicos é de apenas cerca de 2500 a 5000 ppm. Essa tolerância de 0,25% a 0,5% da frequência alvo não é adequada para aplicações de precisão, mas eles podem representar uma economia de custos considerável onde a precisão absoluta não é necessária.

Piezoelectric ceramic material
[Ressonadores cerâmicos Murata: Fonte]

Com frequências abaixo de 1kHz até além de 1GHz, existe uma gama de diferentes materiais e modos de vibração que os resonadores cerâmicos utilizam. Pode ser essencial entender o método de ressonância usado em um dispositivo que você está incorporando ao seu projeto. Fatores ambientais como vibração e choque podem impactar a função do resonador dentro do seu circuito.

Vibration Mode and Frequency Range
[Modo de vibração e faixa de frequência: Fonte]

Oscilador de Quartzo

O oscilador de quartzo é o tipo mais comum de oscilador de cristal no mercado. Quando a precisão e a estabilidade são críticas, a escolha primária são os osciladores de cristal e suas variantes. A estabilidade de um oscilador de cristal é medida em ppm (partes por milhão), e a estabilidade pode estar em torno de 0,01% a 0,0001% de -20 a +70 Celsius, dependendo do dispositivo específico. A estabilidade de um oscilador RC pode, no melhor dos casos, ser de 0,1% e de um LC 0,01%, eles são mais tipicamente cerca de 2% e são muito sensíveis a mudanças de temperatura. Um cristal de quartzo pode oscilar com muito pouca energia necessária para mantê-lo ativado em comparação com muitos outros osciladores, tornando-os perfeitos para aplicações de baixa potência. 

Quando o cristal é excitado por choque, seja por uma compressão física ou, no nosso caso, por uma tensão aplicada, ele vibrará mecanicamente em uma frequência específica. Essa vibração continuará por algum tempo, gerando uma tensão AC entre seus terminais. Esse comportamento é o efeito piezoelétrico, o mesmo de um resonador cerâmico. Em comparação com um circuito LC, a oscilação do cristal após a excitação inicial durará mais — um resultado do alto valor de Q natural do cristal. Para um cristal de quartzo de alta qualidade, um Q de 100.000 não é incomum. Circuitos LC tipicamente têm um Q de cerca de algumas centenas. No entanto, mesmo com o Q muito mais alto, eles não podem ressoar para sempre. Há perdas da vibração mecânica, então é necessário um circuito amplificador como osciladores RC e LC. Para a maioria dos dispositivos que vão receber uma fonte de relógio de cristal externo, isso será integrado ao dispositivo, e os únicos componentes eletrônicos adicionais necessários são os capacitores de carga. Os capacitores de carga são essenciais; se a capacitância destes estiver incorreta, o oscilador não será estável. Tipicamente, a ficha técnica do oscilador conterá valores sugeridos, ou fornecerá uma equação para calcular o valor correto para o seu circuito.

Outras coisas a considerar:

  1. Coloque tanto os capacitores quanto o cristal de quartzo o mais próximo possível do MCU
  2. Use trilhas tão curtas e largas quanto possível para prevenir indutância parasita.

Existem muitas variantes do oscilador de cristal; no entanto, além de um cristal típico, ou "XO", você normalmente só usará as outras opções para aplicações especializadas. Esses osciladores especializados podem ser muito caros e ter oscilações surpreendentemente estáveis e precisas em ambientes incrivelmente desafiadores onde a precisão absoluta é necessária. A grande maioria dos projetos não precisará de nada além de um TCXO da lista abaixo, mas você pode achar interessante pesquisar mais a fundo. 

Esta lista é da Wikipedia:

  • ATCXO — Oscilador de cristal controlado por temperatura analógico
  • CDXO — Oscilador de cristal duplo calibrado
  • DTCXO — Oscilador de cristal compensado por temperatura digital
  • EMXO — Oscilador de cristal miniatura evacuado
  • GPSDO — Oscilador disciplinado pelo sistema de posicionamento global
  • MCXO — Microcomputador-compensado oscilador de cristal
  • OCVCXO — controlado por forno oscilador de cristal controlado por tensão
  • OCXO — Oscilador de cristal controlado por forno
  • RbXO — Rubídio osciladores de cristal (RbXO), um oscilador de cristal (pode ser um MCXO) sincronizado com um padrão de rubídio embutido que é ativado apenas ocasionalmente para economizar energia
  • TCVCXO — Oscilador de cristal controlado por tensão e compensado por temperaturaTCXO — Oscilador de cristal compensado por temperatura
  • TMXO – Oscilador de cristal miniatura tático
  • TSXO — Oscilador de cristal sensível à temperatura, uma adaptação do TCXO
  • VCTCXO — Oscilador de cristal controlado por tensão e compensado por temperatura
  • VCXO — Oscilador de cristal controlado por tensão
  • Módulos de Oscilador de Cristal

    Suponha que você esteja procurando por uma fonte de relógio precisa para uma aplicação que não possui a amplificação de circuitos necessária para utilizar um oscilador de cristal. Nesse caso, um módulo oscilador pode ser uma ótima solução. Esses módulos possuem toda a circuiteria necessária embutida para fornecer um relógio amplificado e bufferizado para qualquer aplicação que você necessite. Como acontece com muitos dispositivos totalmente integrados, você paga pela conveniência, os preços são tipicamente mais altos do que o próprio oscilador de cristal, e eles têm uma pegada maior. Apesar disso, eles ainda podem ser menores do que construir circuitos de amplificação e buffer de oscilador e não ter preocupações com a estabilidade.

    A maioria dos módulos osciladores possui um cristal e um portão inversor CMOS, usando um circuito oscilador de Pierce. Embora os inversores CMOS sejam menos estáveis e tenham um consumo de energia maior do que os osciladores baseados em transistores, os portões baseados em inversores CMOS são fáceis e totalmente utilizáveis em muitas aplicações. 

    Osciladores MEMS

    MEMS ou osciladores de sistema microeletromecânico são dispositivos de temporização precisos baseados na tecnologia MEMS, e são uma tecnologia relativamente nova. Os osciladores MEMS consistem em ressonadores MEMS, OpAmps, e componentes eletrônicos adicionais para definir ou ajustar suas frequências de saída. Osciladores MEMS frequentemente incluem laços de travamento de fase que produzem frequências de saída selecionáveis ou programáveis.

    O funcionamento dos ressonadores MEMS é semelhante ao de um pequeno diapasão que vibra em altas frequências. Como os dispositivos MEMS são pequenos, eles podem vibrar em frequências muito altas, com suas estruturas ressonantes ajustadas produzindo frequências desde dezenas de kHz até centenas de MHz. 

    Os ressonadores MEMS são mecanicamente acionados e se dividem em duas categorias: eletrostáticos e piezoelétricos. Primordialmente, os osciladores MEMS utilizarão a transdução eletrostática, pois os ressonadores de transdução piezoelétrica não são suficientemente estáveis. Ressonadores MEMS de transdução piezoelétrica encontram uso em aplicações de filtragem.

    Uma das principais vantagens dos Osciladores MEMS é que eles podem ser usados para múltiplas cargas, substituindo vários osciladores de cristal dentro de um circuito. Essa característica pode oferecer reduções significativas no preço e no espaço ocupado na placa pelos circuitos osciladores. Comparados a outros circuitos osciladores, até mesmo aos de cristal, o consumo de energia dos dispositivos MEMS é extremamente baixo devido à menor corrente de núcleo necessária. O baixo consumo de energia pode permitir que dispositivos alimentados por bateria funcionem por muito mais tempo, ou eliminar a necessidade de desligar o circuito oscilador principal para economizar energia. Os osciladores MEMS, ao contrário de outros osciladores, não requerem componentes externos para operar, oferecendo ainda mais economia de espaço e custo. Os primeiros osciladores MEMS tiveram certa dificuldade com estabilidade, e existem opções no mercado com estabilidade de frequência de +/- 8 partes por bilhão, se você estiver disposto a pagar por isso.  

    Osciladores de Silício

    Como mencionado no início do artigo, muitos dispositivos têm osciladores integrados ao seu silício. Osciladores de silício são, na maioria das vezes, iguais, apenas em um pacote separado. Este circuito integrado oferece um circuito oscilador RC completo construído a partir de silício. Ele proporciona uma melhor correspondência e compensação do que você normalmente conseguiria pelo mesmo custo usando componentes passivos, em um pacote menor. Osciladores de silício podem ser um grande ativo para dispositivos que passarão por choques ou experienciarão vibrações, já que eles não têm elementos mecanicamente ressonantes. Na maioria dos sites de fornecedores, você encontrará estes sob a categoria de Circuitos Integrados em vez da categoria de Osciladores.

    Além das vantagens sobre outros osciladores em ambientes severos, um oscilador de silício é tipicamente programável. As opções de programação dependem do dispositivo específico; no entanto, um resistor de ajuste de frequência ou interface SPI/I2C é comum. Embora os osciladores de silício geralmente tenham um erro de frequência relativamente pobre de cerca de 1-2%, eles são compactos e requerem apenas um capacitor de desvio de fonte de alimentação. Eles podem ser uma alternativa de baixo custo a outros tipos de osciladores em aplicações não precisas.

    Resumo

    Escolher a fonte de relógio ótima não é fácil. Existem muitos fatores, como estabilidade geral, sensibilidade à temperatura, vibração, umidade, EMI, custo, tamanho, consumo de energia, layout sofisticado e componentes adicionais. 

    Há muitas aplicações onde osciladores RC integrados ou de silício são adequados, pois essas aplicações não exigem precisão adicional. Utilizar um oscilador interno pode economizar tempo de design, custo e reduzir o risco de engenharia. No entanto, aplicações modernas exigem cada vez mais alta precisão, o que demanda o uso de um oscilador externo, como cristal de quartzo, cerâmica ou MEMS.

    Como exemplo, USB de alta velocidade requer uma precisão de frequência mínima de 0,25%, enquanto algumas outras comunicações externas podem funcionar corretamente com fontes de relógio de 5%, 10% ou até 20% de estabilidade. Outros barramentos de alta velocidade e aplicações de RF frequentemente requerem precisão de frequência muito maior do que USB.

    O consumo de energia de osciladores para microcontroladores depende da corrente de alimentação do amplificador de feedback e dos valores de capacitância utilizados. O consumo de energia desses amplificadores depende principalmente da frequência, então, se você deseja projetar um dispositivo de muito baixo consumo de energia, considere reduzir sua frequência de clock para o mínimo no qual seu dispositivo ainda possa completar seu trabalho. Muitas vezes, você encontrará que um microcontrolador tem muitos ciclos de clock sobrando, todos consumindo energia desnecessária.

    Circuitos de ressonador cerâmico geralmente especificam valores de capacitância de carga maiores do que circuitos de cristal e consomem ainda mais corrente do que um circuito de cristal usando o mesmo amplificador. Por comparação, módulos osciladores de cristal geralmente consomem entre 10mA e 60mA de corrente de alimentação devido às funções de compensação de temperatura e controle incluídas.

    Existem muitos tipos de osciladores disponíveis no mercado, cada um com seus prós e contras. Para aplicações de propósito geral onde a temporização precisa não é absolutamente crítica, você pode usar quase qualquer dispositivo ou circuito oscilador que atenda às demandas de frequência. Para circuitos de maior precisão, você pode querer considerar dispositivos de custo mais alto, como osciladores MEMS que podem oferecer estabilidade de frequência na ordem de partes por bilhão mesmo em uma ampla faixa de temperatura, no entanto, espere pagar dezenas ou centenas de dólares por oscilador.

    Se você está construindo um controlador de LED ou tipos semelhantes de circuitos que só precisam de um microcontrolador para executar algum código de gerenciamento ou interface do usuário, o oscilador RC integrado fornecerá tudo o que você precisa. Suponha que você esteja trabalhando em um submersível de águas profundas que pode rastrear sua posição com precisão. Nesse caso, um oscilador que tenha uma estabilidade de apenas algumas partes por bilhão em uma ampla faixa de temperaturas pode ser o mínimo com o qual você pode se safar. Quanto mais precisamente você quiser integrar dados de sensores, ou quanto mais estreita for a banda que você deseja usar para comunicações via rádio, mais estável seu oscilador deve ser. Suponha que você esteja multiplicando sua frequência substancialmente, por exemplo. Nesse caso, se você está criando um sinal de gigahertz a partir de um oscilador de megahertz, mais estável você precisará que o oscilador seja, pois qualquer erro vai ser amplificado.

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Sobre o autor

Sobre o autor

Mark Harris is an engineer's engineer, with over 16 years of diverse experience within the electronics industry, varying from aerospace and defense contracts to small product startups, hobbies and everything in between. Before moving to the United Kingdom, Mark was employed by one of the largest research organizations in Canada; every day brought a different project or challenge involving electronics, mechanics, and software. He also publishes the most extensive open source database library of components for Altium Designer called the Celestial Database Library. Mark has an affinity for open-source hardware and software and the innovative problem-solving required for the day-to-day challenges such projects offer. Electronics are passion; watching a product go from an idea to reality and start interacting with the world is a never-ending source of enjoyment. 

You can contact Mark directly at: mark@originalcircuit.com

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