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Introducción a los Osciladores de Cuarzo



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(para ~1997) Tipo Unidades Por año Precio unitario Mercado mundial Cuarzo ~ 2 x 10 9 ~$1 ($0.1 to 3,000) ~$1.2B Patrones Atómicos Máser de Hidrógeno ~ 10 $200,000 $2M Relojes de Cesio ~ 300 $50,000 $15M Relojes de rubidio ~ 20,000 $2,000 $40M Mercado de los osciladores
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Aplicaciones de los osciladores de cuarzo Navegación Comunicaciones Metrología Exploración espacial Computación Electrónica Aplicaciones militares
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1880 Efecto piezoeléctrico descubierto por Jacques y Pierre Curie 1905 Primer crecimiento hidrotérmico de cuarzo en lab. por G. Spezia 1917 Primera aplicación de piezoeléctricos en sonares 1918 Primer aplicación del cristal piezoeléctrico en osciladores 1926 Primer estación de radio controlada por cristales de cuarzo 1927 Descubrimiento del corte de coeficinete cero de temperatura 1927 Primer reloj de cristal de cuarzo 1934 Primera aplicación práctica del corte de coeficiente cero de temp. 1949 Primer oscilador de alta estabilidad y exactitud 1956 Primer comercialización de cuarzo artificial 1956 Primera descripción del TCXO 1972 Desarrollo del oscilador de tenedor; primeros relojes de pulsera 1982 Primer MCXO Historía en la tecnología de osciladores de cuarzo
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El efecto piezoeléctrico provee de un mecanismo que acopla propiedades mecánicas de una red cristalina con propiedades eléctricas. Red sin deformación X + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Red deformada + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ X ? ? - + Y Y _ _ El efecto piezoeléctrico
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3-3 En el cuarzo, los cinco componentes de esfuerzo pueden ser generados por un campo eléctrico. Los modos de oscilación (siguiente imagen) pueden ser excitados por la acción de electrodos propiamente colocados. El esfuerzo de corte a lo largo del eje Z producido por la acción de campos electricos a lo largo del eje Y es usado en la familia de osciladores con el corte Y, incluyendo los cortes AT, BT, and ST. Deformación EXTENSION CORTE FIELD along: X Y Z X Y Z X Y Z ? ? ? ? ? X Y Z El efecto piezoeléctrico en cuarzo
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3-4 Modo de flexión Modo de extensión Modo de distorsión de cara Modo de distorsión de espesor Modo fundamental de esfuerzo de corte Tercer armómico de modo de esfuerzo de corte Modos de oscilación
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Voltaje de sintonía Resonador De cuarzo Amplificador Frecuencia De salida 2-1 Oscilador de cuarzo
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? Output Oven Cada una de las tres partes principales de un OCXO, es decir, el cristal, el circuito sustentador, y el horno, contribuyen a las inestabilidades. Diagrama a bloques para OCXO
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XO…………..Crystal Oscillator VCXO………Voltage Controlled Crystal Oscillator OCXO………Oven Controlled Crystal Oscillator TCXO………Temperature Compensated Crystal Oscillator TCVCXO..…Temperature Compensated/Voltage Controlled Crystal Oscillator OCVCXO.….Oven Controlled/Voltage Controlled Crystal Oscillator MCXO………Microcomputer Compensated Crystal Oscillator RbXO……….Rubidium-Crystal Oscillator Acrónimos para osciladores
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2-7 Temperature Sensor Compensation Network or Computer XO ? Temperature Compensated (TCXO) -450C +1 ppm -1 ppm (Gp:) +1000C (Gp:) T Oven control XO Temperature Sensor Oven ? Oven Controlled (OCXO) (Gp:) -450C (Gp:) +1 x 10-8 (Gp:) -1 x 10-8 (Gp:) +1000C (Gp:) T Voltage Tune Output ? Crystal Oscillator (XO) -450C -10 ppm +10 ppm 250C T +1000C Desempeño de osciladores por categoría
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Tipo de oscilador* Crystal oscillator (XO) Temperature compensated crystal oscillator (TCXO) Microcomputer compensated crystal oscillator (MCXO) Oven controlled crystal oscillator (OCXO) Small atomic frequency standard (Rb, RbXO) High performance atomic standard (Cs) Aplicación típica Computadoras Comunicación inalámbrica movil Comunicación en espectro disperso Navegación Comunicación por satélites Posicionamiento global Exactitud** 10-5 to 10-4 10-6 10-8 to 10-7 10-8 (with 10-10 per g option) 10-9 10-12 to 10-11 * Tamaños típicos desde <5cm3 para osciladores de cuarzo hasta > 30 litros para relojes de cesio. Costos desde $50,000 para relojes de cesio. ** Incluye efectos ambientales (e.g., -40oC to +75oC) . Exactitudes típicas de osciladores por categoría
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2-16 La mayoría de los usuarios requieren salidas sinusoidales, TTL, CMOS, ECL. Las últimas tres pueden ser generadas a partir de señales sinusoidales. Las cuatro salidas se ilustran abajo, las lineas punteadas representan las señales de alimentación. (No hay un voltaje de alimentación “estándar” para salidas sinusoidales. El voltaje de alimentación para las salidas tipo CMOS típicamente están en el intervalo de 3 V a 15 V.) +15V +10V +5V 0V -5V Sine TTL CMOS ECL Salidas típicas de osciladores de cuarzo
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El cuarzo es el único material conocido que posee las siguientes propiedades: piezoeléctrico corte de coeficiente de temperatura cero corte de compensación de esfuerzo bajo costo (alto Q) Fácilmente procesable Abundante en la naturaleza, de crecimiento rápido con alto nivel de pureza. Propiedades del cuarzo
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3-18 Base Clips de montura Área de unión Electrodos Cuarzo Cubierta Sello Pins Cuarzo Área de unión Cubierta Clips de montura Sello Base Pins Montura de dos puntos Montura de tres y cuatro puntos Vista superior Monturas
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Q es proporcioanl al tiempo de decaimiento, y es inversamente proporcional al ancho de línea. A mayor Q, mayor estabilidad de frecuencia y mayor potencial de exactitud en el resonador (un alto Q es una condición necesaria pero no suficiente). Por ejemplo, si Q = 106, entonces una exactitud de 10-10 requiere determinar el centro de la curva de resonancia a 0.01% del ancho de la línea, y la estabilidad (para un tiempo de promediación) de 10-12 requiere permanecer cerca del máximo de la curva de resonancia con 10-6 del ancho de línea. Energía discipada por ciclo Energía almacenada por ciclo 2 Q p º Factor de calidad
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Oscillación Inicio de oscilación Tiempo del máximo de intensidad 2.7 1 1 e = Decaimiento de la oscilación del resonador td Intensidad Máxima BW Intensidad máxima Frecuencia Curva de resonancia ½ Intensidad máxima Tiempo de decaimiento, ancho de línea, y Q