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Introducción a los Osciladores de Cuarzo




Enviado por Pablo Turmero



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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

    Partes: 1, 2

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