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oscilador de cristal

Un oscilador de cristal es un circuito oscilador electrónico que utiliza un cristal piezoeléctrico como elemento selector de frecuencia . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] La frecuencia del osc...

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Un oscilador de cristal es un circuito oscilador electrónico que utiliza un cristal piezoeléctrico como elemento selector de frecuencia . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] La frecuencia del oscilador se utiliza a menudo para medir el tiempo, como en los relojes de pulsera de cuarzo , para proporcionar una señal de reloj estable para circuitos integrados digitales y para estabilizar las frecuencias de transmisores y receptores de radio . El tipo más común de resonador piezoeléctrico utilizado es un cristal de cuarzo , por lo que los circuitos osciladores que los incorporan se conocen como osciladores de cristal. [ 1 ] Sin embargo, en circuitos similares se utilizan otros materiales piezoeléctricos, incluidas las cerámicas policristalinas .

Un oscilador de cristal se basa en el ligero cambio de forma de un cristal de cuarzo bajo la acción de un campo eléctrico , una propiedad conocida como piezoelectricidad inversa . Un voltaje aplicado a los electrodos del cristal provoca que este cambie de forma; al retirar el voltaje, el cristal genera un pequeño voltaje al recuperar elásticamente su forma original. El cuarzo oscila a una frecuencia resonante estable (en comparación con otros osciladores de bajo costo) con una precisión de frecuencia medida en partes por millón (ppm). Se comporta como un circuito RLC , pero con un factor Q mucho mayor (menor pérdida de energía en cada ciclo de oscilación y mayor selectividad de frecuencia) que el que se puede lograr de forma fiable con condensadores (C) e inductores (L) discretos, que sufren de resistencia parásita (R). Una vez que un cristal de cuarzo se ajusta a una frecuencia particular (que se ve afectada por la masa de los electrodos conectados al cristal, la orientación del cristal, la temperatura y otros factores), mantiene esa frecuencia con alta estabilidad. [ 4 ]

Los cristales de cuarzo se fabrican para frecuencias desde unas pocas decenas de kilohercios hasta cientos de megahercios. En 2003, se fabricaban alrededor de dos mil millones de cristales anualmente. [ 5 ] La mayoría se utilizan en dispositivos de consumo como relojes de pulsera , relojes de pared , radios , computadoras y teléfonos celulares . Sin embargo, en aplicaciones donde se requiere un tamaño y peso pequeños, los cristales pueden reemplazarse por resonadores acústicos de película delgada , especialmente si se necesita resonancia de ultra alta frecuencia (más de aproximadamente 1,5  GHz). Los cristales de cuarzo también se encuentran dentro de equipos de prueba y medición, como contadores, generadores de señales y osciloscopios .

Terminología

Resonador de cristal de cuarzo (izquierda) y oscilador de cristal de cuarzo (derecha)

Un oscilador de cristal es un circuito oscilador eléctrico que utiliza un resonador piezoeléctrico, un cristal, como elemento determinante de la frecuencia. Cristal es el término común en electrónica para el componente determinante de la frecuencia, una oblea de cristal de cuarzo o cerámica con electrodos conectados. Un término más preciso para "cristal" es resonador piezoeléctrico . Los cristales también se utilizan en otros tipos de circuitos electrónicos, como los filtros de cristal .

Los resonadores piezoeléctricos se venden como componentes independientes para su uso en circuitos osciladores de cristal. También suelen integrarse en un mismo encapsulado junto con el circuito oscilador de cristal.

Historia

Osciladores de cristal de 100 kHz en la Oficina Nacional de Estándares de EE. UU. que sirvieron como estándar de frecuencia para los Estados Unidos en 1929.
Cristales muy antiguos de Bell Labs procedentes de la colección Vectron International.

La piezoelectricidad fue descubierta por Jacques y Pierre Curie en 1880. Paul Langevin investigó por primera vez los resonadores de cuarzo para su uso en sonar durante la Primera Guerra Mundial. El primer oscilador controlado por cristal , que utilizaba un cristal de sal de Rochelle , fue construido en 1917 y patentado [ 6 ] en 1918 por Alexander M. Nicolson en Western Electric , aunque su prioridad fue disputada por Walter Guyton Cady . [ 7 ] Cady construyó el primer oscilador de cristal de cuarzo en 1921. [ 8 ] Otros innovadores tempranos en osciladores de cristal de cuarzo incluyen a GW Pierce y Louis Essen .

Los osciladores de cristal de cuarzo se desarrollaron para referencias de frecuencia de alta estabilidad durante las décadas de 1920 y 1930. Antes de los cristales, las estaciones de radio controlaban su frecuencia con circuitos sintonizados , que podían desviarse fácilmente de la frecuencia en 3–4  kHz. [ 9 ] Dado que a las estaciones de radiodifusión se les asignaban frecuencias separadas por solo 10  kHz (Américas) o 9  kHz (en otros lugares), la interferencia entre estaciones adyacentes debido a la deriva de frecuencia era un problema común. [ 9 ] En 1925, Westinghouse instaló un oscilador de cristal en su estación insignia KDKA, [ 9 ] y para 1926, los cristales de cuarzo se utilizaban para controlar la frecuencia de muchas estaciones de radiodifusión y eran populares entre los operadores de radioaficionados. [ 10 ] En 1928, Warren Marrison de Bell Laboratories desarrolló el primer reloj de cristal de cuarzo . Con precisiones de hasta 1 segundo en 30 años (30  ms/año o 0,95  ns/s), [ 8 ] los relojes de cuarzo reemplazaron a los relojes de péndulo de precisión como los cronómetros más exactos del mundo hasta que se desarrollaron los relojes atómicos en la década de 1950. Utilizando el trabajo inicial de los Laboratorios Bell, American Telephone and Telegraph Company (AT&T) finalmente estableció su división Frequency Control Products, que más tarde se escindió y hoy se conoce como Vectron International. [ 11 ]

En 1933, Issac Koga del Instituto Tecnológico de Tokio informó sobre la placa de cuarzo con corte R1, una orientación insensible a la temperatura con un coeficiente de frecuencia-temperatura cercano a cero. [ 12 ] Los cristales con corte Koga se utilizaron por primera vez en transmisores de radio y posteriormente en relojes, y el trabajo fue reconocido como un hito del IEEE en 2017. [ 13 ]

Varias empresas comenzaron a producir cristales de cuarzo para uso electrónico durante este período. Utilizando métodos que hoy se consideran primitivos, se produjeron aproximadamente 100 000 unidades de cristal en Estados Unidos durante 1939. Durante la Segunda Guerra Mundial , los cristales se fabricaban a partir de cuarzo natural, prácticamente todos procedentes de Brasil . La escasez de cristales durante la guerra, causada por la demanda de un control preciso de la frecuencia de las radios y radares militares y navales , impulsó la investigación de posguerra sobre el cultivo de cuarzo sintético, y en 1950 se desarrolló en los Laboratorios Bell un proceso hidrotermal para el crecimiento de cristales de cuarzo a escala comercial. Para la década de 1970, prácticamente todos los cristales utilizados en electrónica eran sintéticos.

En 1968, Juergen Staudte inventó un proceso fotolitográfico para la fabricación de osciladores de cristal de cuarzo mientras trabajaba en North American Aviation (ahora Rockwell ) que permitió fabricarlos lo suficientemente pequeños para productos portátiles como relojes. [ 14 ]

Aunque los osciladores de cristal siguen utilizando mayoritariamente cristales de cuarzo, los dispositivos que utilizan otros materiales, como los resonadores cerámicos , son cada vez más comunes .

Modos de oscilación del cristal

Principio

Un cristal es un sólido en el que los átomos , moléculas o iones que lo componen están empaquetados en un patrón repetitivo y ordenado regularmente que se extiende en las tres dimensiones espaciales.

Casi cualquier objeto hecho de un material elástico podría usarse como un cristal, con los transductores adecuados , ya que todos los objetos tienen frecuencias de resonancia de vibración naturales . Por ejemplo, el acero es muy elástico y tiene una alta velocidad del sonido. Se usaba con frecuencia en filtros mecánicos antes del cuarzo. La frecuencia de resonancia depende del tamaño, la forma, la elasticidad y la velocidad del sonido en el material. Los cristales de alta frecuencia suelen tener forma de rectángulo simple o disco circular. Los cristales de baja frecuencia, como los que se usan en los relojes digitales, suelen tener forma de diapasón . Para aplicaciones que no requieren una sincronización muy precisa, a menudo se usa un resonador cerámico de bajo costo en lugar de un cristal de cuarzo.

Cuando un cristal de cuarzo se corta y monta correctamente, se puede deformar en un campo eléctrico aplicando un voltaje a un electrodo cercano o sobre el cristal. Esta propiedad se conoce como piezoelectricidad inversa . Al retirar el campo, el cuarzo genera un campo eléctrico al recuperar su forma original, lo que produce un voltaje. Como resultado, un cristal de cuarzo se comporta como un circuito RLC , compuesto por un inductor , un condensador y una resistencia , con una frecuencia de resonancia precisa.

El cuarzo presenta la ventaja adicional de que sus constantes elásticas y su tamaño varían de tal manera que la dependencia de la frecuencia con la temperatura puede ser muy baja. Las características específicas dependen del modo de vibración y del ángulo de corte del cuarzo (en relación con sus ejes cristalográficos). [ 15 ] Por lo tanto, la frecuencia de resonancia de la placa, que depende de su tamaño, no varía mucho. Esto significa que un reloj, filtro u oscilador de cuarzo mantiene su precisión. Para aplicaciones críticas, el oscilador de cuarzo se monta en un contenedor con temperatura controlada, denominado horno de cristal , y también puede montarse sobre amortiguadores para evitar perturbaciones por vibraciones mecánicas externas.

Modelado

Modelo eléctrico

Un cristal de cuarzo puede modelarse como una red eléctrica con puntos de resonancia de baja impedancia (en serie) y alta impedancia (en paralelo) muy próximos entre sí. Matemáticamente, utilizando la transformada de Laplace , la impedancia de esta red puede escribirse como: [ 16 ]

Símbolo esquemático y circuito equivalente para un cristal de cuarzo en un oscilador.
Z(s)=(1s⋅do1+s⋅L1+R1)‖(1s⋅do0),{\displaystyle Z(s)=\left({{\frac {1}{s\cdot C_{1}}}+s\cdot L_{1}+R_{1}}\right)\left\|\left({\frac {1}{s\cdot C_{0}}}\right)\right.,}

o

Z(s)=s2+sR1L1+ωs2(s⋅do0)[s2+sR1L1+ωpag2]⇒ωs=1L1⋅do1,ωpag=do1+do0L1⋅do1⋅do0=ωs1+do1do0≈ωs(1+do12do0)(do0≫do1){\displaystyle {\begin{aligned}Z(s)&={\frac {s^{2}+s{\frac {R_{1}}{L_{1}}}+{\omega _{\mathrm {s} }}^{2}}{\left(s\cdot C_{0}\right)\left[s^{2}+s{\frac {R_{1}}{L_{1}}}+{\omega _{\mathrm {p} }}^{2}\right]}}\\[2pt]\Rightarrow \omega _{\mathrm {s} }&={\frac {1}{\sqrt {L_{1}\cdot C_{1}}}},\quad \omega _{\mathrm {p} }={\sqrt {\frac {C_{1}+C_{0}}{L_{1}\cdot C_{1}\cdot C_{0}}}}=\omega _{\mathrm {s} }{\sqrt {1+{\frac {C_{1}}{C_{0}}}}}\approx \omega _{\mathrm {s} }\left(1+{\frac {C_{1}}{2C_{0}}}\right)\quad \left(C_{0}\gg C_{1}\right)\end{aligned}}}

dóndes{\displaystyle s}es la frecuencia compleja (s=jω{\displaystyle s=j\omega }),ωs{\displaystyle \omega _{\mathrm {s} }}es la frecuencia angular de resonancia en serie , yωpag{\displaystyle \omega _{\mathrm {p} }}es la frecuencia angular de resonancia paralela.

Al añadir capacitancia a un cristal, su frecuencia de resonancia (paralela) disminuye. Al añadir inductancia , esta frecuencia aumenta. Estos efectos permiten ajustar la frecuencia de oscilación del cristal. Los fabricantes de cristales suelen cortarlos y ajustarlos para obtener una frecuencia de resonancia específica con una capacitancia de carga conocida. Por ejemplo, un cristal diseñado para una  carga de 6 pF alcanza su frecuencia de resonancia paralela cuando  se le conecta un condensador de 6,0 pF. Sin la capacitancia de carga, la frecuencia de resonancia es mayor.

Modos de resonancia

Un cristal de cuarzo ofrece resonancia tanto en serie como en paralelo. La resonancia en serie se produce unos pocos kilohercios por debajo de la resonancia en paralelo. Los cristales con frecuencias inferiores a 30  MHz suelen operar entre la resonancia en serie y en paralelo, lo que significa que el cristal se comporta como una reactancia inductiva durante su funcionamiento. Esta inductancia forma un circuito resonante en paralelo con una capacitancia conectada externamente.

Respuesta en frecuencia de un cristal de 100 kHz, que muestra resonancia en serie y en paralelo.

Cualquier capacitancia adicional, por pequeña que sea, en paralelo con el cristal reduce la frecuencia. Además, la reactancia inductiva efectiva del cristal se puede disminuir añadiendo un condensador en serie. Esta última técnica permite ajustar la frecuencia de oscilación dentro de un rango estrecho; en este caso, la inserción de un condensador en serie con el cristal aumenta la frecuencia de oscilación. Para que un cristal funcione a su frecuencia especificada, el circuito electrónico debe ser exactamente el especificado por el fabricante. Cabe destacar que estos puntos implican una particularidad en los osciladores de cristal en este rango de frecuencias: el cristal no suele oscilar precisamente a ninguna de sus frecuencias de resonancia.

Los cristales con frecuencias superiores a 30  MHz (hasta >200  MHz) generalmente operan en resonancia en serie, donde la impedancia alcanza su valor mínimo e igual a la resistencia en serie. Para estos cristales, se especifica la resistencia en serie (<100  Ω) en lugar de la capacitancia en paralelo. Para alcanzar frecuencias más altas, se puede hacer vibrar un cristal en uno de sus modos de sobretono , que se producen cerca de múltiplos de la frecuencia de resonancia fundamental. Solo se utilizan sobretonos impares. Dicho cristal se denomina cristal de tercer, quinto o incluso séptimo sobretono. Para lograr esto, el circuito oscilador suele incluir circuitos LC adicionales para seleccionar el sobretono deseado.

Efectos de la temperatura

La característica de frecuencia de un cristal depende de su forma o "corte". Un cristal de diapasón suele cortarse de manera que su dependencia de la frecuencia con la temperatura sea cuadrática, con un máximo alrededor de los 25 °C (77 °F) . Esto significa que un oscilador de cristal de diapasón resuena cerca de su frecuencia objetivo a temperatura ambiente, pero se ralentiza cuando la temperatura aumenta o disminuye con respecto a la temperatura ambiente. Un coeficiente parabólico común para un cristal de diapasón de 32 kHz es de −0,04 ppm/° C² .   

F=F0[1−0,04 ppm/∘do2⋅(T−T0)2].{\displaystyle f=f_{0}\left[1-0.04~{\text{ppm}}/^{\circ }{\text{C}}^{2}\cdot (T-T_{0})^{2}\right].}

En una aplicación real, esto significa que un reloj construido con un  cristal de diapasón estándar de 32 kHz mantiene la hora correctamente a temperatura ambiente, pero pierde 2 minutos al año a 10 °C (50 °F) por encima o por debajo de la temperatura ambiente y pierde 8 minutos al año a 20 °C (68 °F) por encima o por debajo de la temperatura ambiente debido al cristal de cuarzo.    

Circuitos osciladores de cristal

El circuito oscilador de cristal mantiene la oscilación al tomar una señal de voltaje del resonador de cuarzo , amplificarla y realimentarla al resonador. La tasa de expansión y contracción del cuarzo es la frecuencia de resonancia , y está determinada por el corte y el tamaño del cristal. Cuando la energía de las frecuencias de salida generadas compensa las pérdidas en el circuito, se puede mantener la oscilación.

Un oscilador de cristal consta de dos placas conductoras, con una lámina o diapasón de cristal de cuarzo intercalado entre ellas. Durante el arranque, el circuito de control sitúa el cristal en un equilibrio inestable y, debido a la retroalimentación positiva del sistema, cualquier mínima fracción de ruido se amplifica, aumentando la frecuencia de oscilación. El resonador de cristal también puede considerarse un filtro altamente selectivo en frecuencia dentro de este sistema: solo deja pasar una subbanda muy estrecha de frecuencias alrededor de la resonante, atenuando todo lo demás. Finalmente, solo la frecuencia resonante permanece activa. A medida que el oscilador amplifica las señales que salen del cristal, las señales en la banda de frecuencia del cristal se fortalecen, llegando a dominar la salida del oscilador. La estrecha banda de resonancia del cristal de cuarzo filtra las frecuencias no deseadas.

La frecuencia de salida de un oscilador de cuarzo puede ser la de la resonancia fundamental o un múltiplo de esta, denominado frecuencia armónica . Los armónicos son múltiplos enteros exactos de la frecuencia fundamental. Sin embargo, al igual que muchos otros resonadores mecánicos, los cristales presentan varios modos de oscilación, generalmente en múltiplos enteros impares aproximados de la frecuencia fundamental. Estos se denominan "modos de sobretono" y los circuitos osciladores pueden diseñarse para excitarlos. Los modos de sobretono se encuentran en frecuencias que son múltiplos enteros impares aproximados, pero no exactos, de la frecuencia del modo fundamental, por lo que las frecuencias de sobretono no son armónicos exactos de la fundamental.

Los cristales de alta frecuencia suelen diseñarse para operar en el tercer, quinto o séptimo armónico. Los fabricantes tienen dificultades para producir cristales lo suficientemente delgados como para generar frecuencias fundamentales superiores a 30  MHz. Para producir frecuencias más altas, fabrican cristales de armónicos sintonizados para que el tercer, quinto o séptimo armónico se sitúe en la frecuencia deseada, ya que son más gruesos y, por lo tanto, más fáciles de fabricar que un cristal fundamental que produciría la misma frecuencia; sin embargo, excitar la frecuencia del armónico deseado requiere un circuito oscilador ligeramente más complejo. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] Un circuito oscilador de cristal fundamental es más simple, más eficiente y tiene mayor capacidad de excitación que un circuito de tercer armónico. Dependiendo del fabricante, la frecuencia fundamental más alta disponible puede ser de 25  MHz a 66  MHz. [ 22 ] [ 23 ]

Estructura interna de un cristal de cuarzo.

Una de las principales razones del amplio uso de osciladores de cristal es su alto factor Q. Un valor típico de Q para un oscilador de cuarzo oscila entre 10⁴ y 10⁶ , en comparación con quizás 10² para un oscilador LC . El Q máximo para un oscilador de cuarzo de alta estabilidad se puede estimar como Q = 1,6 × 10⁷ / f , donde f es la frecuencia de resonancia en megahercios. [ 24 ] [ 25 ]

Una de las características más importantes de los osciladores de cristal de cuarzo es su bajo nivel de ruido de fase . En muchos osciladores, la energía espectral en la frecuencia de resonancia se amplifica, generando una serie de tonos con diferentes fases. En un oscilador de cristal, este vibra principalmente en un solo eje, por lo que solo una fase es dominante. Esta baja emisión de ruido de fase los hace especialmente útiles en telecomunicaciones, donde se requieren señales estables, y en equipos científicos, donde se necesitan referencias temporales muy precisas.

Los cambios ambientales de temperatura, humedad, presión y vibración pueden alterar la frecuencia de resonancia de un cristal de cuarzo, pero existen diversos diseños que reducen estos efectos. Entre ellos se incluyen el TCXO, el MCXO y el OCXO , que se describen a continuación . Estos diseños, en particular el OCXO, suelen producir dispositivos con una excelente estabilidad a corto plazo. Las limitaciones en la estabilidad a corto plazo se deben principalmente al ruido de los componentes electrónicos en los circuitos osciladores. La estabilidad a largo plazo está limitada por el envejecimiento del cristal.

Debido al envejecimiento y a factores ambientales (como la temperatura y la vibración), resulta difícil mantener incluso los mejores osciladores de cuarzo dentro de una parte en 10¹⁰ de su frecuencia nominal sin un ajuste constante. Por esta razón, los osciladores atómicos se utilizan en aplicaciones que requieren mayor estabilidad y precisión a largo plazo.

Frecuencias espurias

Cristal de 25 MHz que presenta una respuesta espuria

En cristales que operan en resonancia en serie o que se desvían del modo principal mediante la inclusión de un inductor o condensador en serie, pueden experimentarse respuestas espurias significativas (y dependientes de la temperatura). Si bien la mayoría de los modos espurios suelen estar unas decenas de kilohercios por encima de la resonancia en serie deseada, su coeficiente de temperatura difiere del del modo principal, y la respuesta espuria puede pasar por el modo principal a ciertas temperaturas. Incluso si las resistencias en serie en las resonancias espurias parecen mayores que la de la frecuencia deseada, puede producirse un cambio rápido en la resistencia en serie del modo principal a temperaturas específicas cuando ambas frecuencias coinciden. Una consecuencia de estas caídas de actividad es que el oscilador puede bloquearse en una frecuencia espuria a temperaturas específicas. Esto generalmente se minimiza asegurándose de que el circuito de mantenimiento tenga una ganancia insuficiente para activar modos no deseados.

Las frecuencias espurias también se generan al someter el cristal a vibración. Esto modula la frecuencia de resonancia en un pequeño grado debido a la frecuencia de las vibraciones. Los cristales SC (con compensación de tensión) están diseñados para minimizar el efecto de la tensión de montaje sobre la frecuencia y, por lo tanto, son menos sensibles a la vibración. Los efectos de aceleración, incluida la gravedad, también se reducen con los cristales SC, al igual que la variación de la frecuencia con el tiempo debido a la variación de la tensión de montaje a largo plazo. Los cristales SC de modo de cizallamiento presentan desventajas, como la necesidad de que el oscilador de mantenimiento discrimine contra otros modos no deseados estrechamente relacionados y un mayor cambio de frecuencia debido a la temperatura cuando se exponen a todo el rango ambiental. Los cristales SC son más ventajosos cuando es posible controlar la temperatura a su temperatura de coeficiente de temperatura cero (punto de inflexión); en estas circunstancias, el rendimiento de estabilidad general de las unidades de alta gama puede aproximarse a la estabilidad de los estándares de frecuencia de rubidio.

Frecuencias de cristal de uso común

Los cristales pueden fabricarse para oscilar en un amplio rango de frecuencias, desde unos pocos kilohercios hasta varios cientos de megahercios. Muchas aplicaciones requieren una frecuencia de oscilador de cristal convenientemente relacionada con alguna otra frecuencia deseada, por lo que se fabrican cientos de frecuencias de cristal estándar en grandes cantidades y los distribuidores de electrónica las tienen en stock. Por ejemplo,  los cristales de 3,579545 MHz, que se fabricaban en grandes cantidades para los receptores de televisión en color NTSC , ahora son populares para muchas aplicaciones no televisivas (aunque la mayoría de los receptores de televisión modernos ahora usan cristales de otras frecuencias para el decodificador de color). Mediante divisores de frecuencia , multiplicadores de frecuencia y circuitos de bucle de enganche de fase , es práctico obtener un amplio rango de frecuencias a partir de una frecuencia de referencia.

Estructuras cristalinas y materiales

Cuarzo

Tipos de embalaje comunes para productos de cristal de cuarzo
Grupo de cristales de cuarzo natural
Un cristal de cuarzo sintético cultivado mediante síntesis hidrotermal , de unos 19 cm de largo y con un peso aproximado de 127 g.
Cristal de diapasón utilizado en un reloj de cuarzo moderno
Cristal de cuarzo simple
Estructura interna de un cristal de cuarzo encapsulado en HC-49
Cristales flexionales y de cizallamiento en espesor
Estructura interna de un cristal de cuarzo de 100 kHz con encapsulado HC-13.

El material más común para los cristales osciladores es el cuarzo . Al principio de la tecnología, se utilizaban cristales de cuarzo natural, pero actualmente predomina el cuarzo cristalino sintético, cultivado mediante síntesis hidrotermal, debido a su mayor pureza, menor coste y manejo más sencillo. Uno de los pocos usos que aún se dan a los cristales naturales es en transductores de presión para pozos profundos. Durante la Segunda Guerra Mundial y durante algún tiempo después, Estados Unidos consideró el cuarzo natural un material estratégico . Se importaban cristales grandes de Brasil. Las "lascas" en bruto, el cuarzo de partida para la síntesis hidrotermal, se importan a Estados Unidos o se extraen localmente por Coleman Quartz. El valor medio del cuarzo sintético cultivado en 1994 era de 60 USD /kg. [ 26 ]

Tipos

Existen dos tipos de cristales de cuarzo: levógiros y dextrógiros. Ambos difieren en su rotación óptica , pero son idénticos en otras propiedades físicas. Tanto los cristales levógiros como los dextrógiros pueden utilizarse para osciladores, siempre que el ángulo de corte sea el correcto. En la fabricación, generalmente se utiliza cuarzo dextrógiro. [ 27 ] Los tetraedros de SiO 4 forman hélices paralelas; la dirección de torsión de la hélice determina la orientación levógira o dextrógira. Las hélices están alineadas a lo largo del eje c y se fusionan, compartiendo átomos. La masa de las hélices forma una red de canales pequeños y grandes paralelos al eje c. Los canales grandes son lo suficientemente amplios como para permitir cierta movilidad de iones y moléculas más pequeños a través del cristal. [ 28 ]

El cuarzo existe en varias fases. A 573  °C y 1 atmósfera (y a temperaturas y presiones más elevadas), el cuarzo α experimenta inversión de fase , transformándose reversiblemente en cuarzo β. Sin embargo, el proceso inverso no es del todo homogéneo y se produce maclado cristalino . Es fundamental tener cuidado durante la fabricación y el procesamiento para evitar la transformación de fase. Otras fases, como la tridimita y la cristobalita , que se forman a temperaturas más altas, no son relevantes para los osciladores. Todos los cristales de cuarzo utilizados en osciladores son de tipo cuarzo α.

Calidad

La espectrofotometría infrarroja se utiliza como uno de los métodos para medir la calidad de los cristales cultivados. Los números de onda 3585, 3500 y 3410 cm⁻¹  se utilizan comúnmente. El valor medido se basa en las bandas de absorción del radical OH y se calcula el valor Q infrarrojo. Los cristales de grado electrónico, grado C, tienen un Q de 1,8 millones o superior; los cristales de grado premium B tienen un Q de 2,2 millones, y los cristales de grado premium especial A tienen un Q de 3,0 millones. El valor Q se calcula solo para la región z; los cristales que contienen otras regiones pueden verse afectados negativamente. Otro indicador de calidad es la densidad de canales de grabado; cuando el cristal se graba , se crean canales tubulares a lo largo de los defectos lineales. Para el procesamiento que implica grabado, por ejemplo, los cristales de diapasón de reloj de pulsera, es deseable una baja densidad de canales de grabado. La densidad de canales de grabado para el cuarzo barrido es de aproximadamente 10 a 100 y significativamente mayor para el cuarzo no barrido. La presencia de canales y fosas de grabado degrada el factor Q del resonador e introduce no linealidades. [ 29 ]

Producción

Los cristales de cuarzo pueden cultivarse para fines específicos.

Los cristales para corte AT son los más comunes en la producción en masa de materiales para osciladores; su forma y dimensiones se optimizan para obtener un alto rendimiento de las obleas necesarias . Los cristales de cuarzo de alta pureza se cultivan con un contenido especialmente bajo de aluminio, metales alcalinos y otras impurezas, y con mínimos defectos; la baja cantidad de metales alcalinos proporciona una mayor resistencia a la radiación ionizante. Los cristales para relojes de pulsera, para el corte de cristales de diapasón de 32768 Hz, se cultivan con una densidad de canales de grabado muy baja. 

Los cristales para dispositivos SAW se cultivan planos, con una semilla de gran tamaño X y una baja densidad de canales de grabado.

Los cristales especiales de alto factor Q, para su uso en osciladores de alta estabilidad, se cultivan a velocidad lenta constante y presentan una absorción infrarroja baja y constante a lo largo de todo el eje Z. Los cristales pueden cultivarse como una barra en Y, con un cristal semilla en forma de barra alargado a lo largo del eje Y, o como una placa en Z, cultivada a partir de una placa semilla con longitud en la dirección del eje Y y ancho en el eje X. [ 27 ] La región alrededor del cristal semilla contiene una gran cantidad de defectos cristalinos y no debe utilizarse para las obleas.

Los cristales crecen anisotrópicamente ; el crecimiento a lo largo del eje Z es hasta 3 veces más rápido que a lo largo del eje X. La dirección y la velocidad de crecimiento también influyen en la velocidad de absorción de impurezas. [ 30 ] Los cristales de barra Y, o cristales de placa Z con eje Y largo, tienen cuatro regiones de crecimiento generalmente llamadas +X, −X, Z y S. [ 31 ] La distribución de impurezas durante el crecimiento es desigual; diferentes áreas de crecimiento contienen diferentes niveles de contaminantes. Las regiones Z son las más puras, las pequeñas regiones S presentes ocasionalmente son menos puras, la región +X es aún menos pura, y la región -X tiene el nivel más alto de impurezas. Las impurezas tienen un impacto negativo en la dureza a la radiación , la susceptibilidad al maclado , la pérdida de filtro y la estabilidad a largo y corto plazo de los cristales. [ 32 ] Las semillas cortadas de diferentes maneras en diferentes orientaciones pueden proporcionar otros tipos de regiones de crecimiento. [ 33 ] La velocidad de crecimiento en la dirección −X es la más lenta debido al efecto de adsorción de moléculas de agua en la superficie del cristal; las impurezas de aluminio suprimen el crecimiento en otras dos direcciones. El contenido de aluminio es más bajo en la región Z, más alto en +X, aún más alto en −X, y el más alto en S; el tamaño de las regiones S también crece con el aumento de la cantidad de aluminio presente. El contenido de hidrógeno es más bajo en la región Z, más alto en la región +X, aún más alto en la región S, y el más alto en −X. [ 34 ] Las inclusiones de aluminio se transforman en centros de color con la irradiación de rayos gamma, causando un oscurecimiento del cristal proporcional a la dosis y el nivel de impurezas; la presencia de regiones con diferente oscuridad revela las diferentes regiones de crecimiento.

El defecto predominante en los cristales de cuarzo es la sustitución de un átomo de Si(IV) por un átomo de Al(III) en la red cristalina . El ion aluminio tiene un compensador de carga intersticial asociado en las proximidades, que puede ser un ion H + (unido al oxígeno cercano y formando un grupo hidroxilo , denominado defecto Al−OH), un ion Li + , un ion Na + , un ion K + (menos común) o un hueco electrónico atrapado en el orbital de un átomo de oxígeno cercano. La composición de la solución de crecimiento, ya sea a base de compuestos alcalinos de litio o sodio, determina los iones compensadores de carga para los defectos de aluminio. Las impurezas iónicas son preocupantes, ya que no están firmemente unidas y pueden migrar a través del cristal, alterando la elasticidad local de la red y la frecuencia de resonancia del cristal. Otras impurezas comunes de preocupación son, por ejemplo, hierro(III) (intersticial), flúor, boro(III), fósforo(V) (sustitución), titanio(IV) (sustitución, universalmente presente en cuarzo magmático, menos común en cuarzo hidrotermal) y germanio(IV) (sustitución). Los iones de sodio y hierro pueden causar inclusiones de cristales de acnita y elemeusita . Las inclusiones de agua pueden estar presentes en cristales de crecimiento rápido; las moléculas de agua intersticial son abundantes cerca de la semilla del cristal. Otro defecto importante es el defecto de crecimiento que contiene hidrógeno, cuando en lugar de una estructura Si−O−Si, se forma un par de grupos Si−OH HO−Si; esencialmente un enlace hidrolizado. Los cristales de crecimiento rápido contienen más defectos de hidrógeno que los de crecimiento lento. Estos defectos de crecimiento son una fuente de suministro de iones de hidrógeno para procesos inducidos por radiación y la formación de defectos Al-OH. Las impurezas de germanio tienden a atrapar electrones creados durante la irradiación; Los cationes de metales alcalinos migran entonces hacia el centro cargado negativamente y forman un complejo estabilizador. También pueden estar presentes defectos de matriz; vacantes de oxígeno, vacantes de silicio (generalmente compensadas por 4 hidrógenos o 3 hidrógenos y un hueco), grupos peroxi, etc. Algunos de los defectos producen niveles localizados en la banda prohibida, que actúan como trampas de carga; Al(III) y B(III) suelen actuar como trampas de huecos, mientras que las vacantes de electrones, los átomos de titanio, germanio y fósforo actúan como trampas de electrones. Los portadores de carga atrapados pueden liberarse mediante calentamiento; su recombinación es la causa de la termoluminiscencia .

La movilidad de los iones intersticiales depende fuertemente de la temperatura. Los iones de hidrógeno son móviles hasta 10 K, pero los iones de metales alcalinos se vuelven móviles solo a temperaturas alrededor y superiores a 200 K. Los defectos de hidroxilo se pueden medir mediante espectroscopia de infrarrojo cercano. Los huecos atrapados se pueden medir mediante resonancia de espín electrónico . Los defectos Al−Na + se muestran como un pico de pérdida acústica debido a su movimiento inducido por tensión; los defectos Al−Li + no forman un pozo de potencial, por lo que no son detectables de esta manera. [ 35 ] Algunos de los defectos inducidos por radiación durante su recocido térmico producen termoluminiscencia ; se pueden distinguir los defectos relacionados con el aluminio, el titanio y el germanio. [ 36 ]

Los cristales barridos son cristales que han sido sometidos a un proceso de purificación por electrodifusión en estado sólido . El barrido implica calentar el cristal por encima de 500  °C en una atmósfera libre de hidrógeno, con un gradiente de voltaje de al menos 1 kV/cm, durante varias horas (generalmente más de 12). La migración de impurezas y la sustitución gradual de iones de metales alcalinos por hidrógeno (cuando se barre en aire) o huecos de electrones (cuando se barre en vacío) provoca una débil corriente eléctrica a través del cristal; la disminución de esta corriente a un valor constante indica el final del proceso. A continuación, se deja enfriar el cristal mientras se mantiene el campo eléctrico. Las impurezas se concentran en la región del cátodo del cristal, que posteriormente se corta y se desecha. [ 37 ] Los cristales barridos tienen una mayor resistencia a la radiación, ya que los efectos de la dosis dependen del nivel de impurezas de metales alcalinos; son adecuados para su uso en dispositivos expuestos a radiación ionizante, por ejemplo, para tecnología nuclear y espacial. [ 38 ] El barrido al vacío a temperaturas y campos más altos produce cristales aún más resistentes a la radiación. [ 39 ] El nivel y la naturaleza de las impurezas se pueden medir mediante espectroscopia infrarroja. [ 40 ] El cuarzo se puede barrer tanto en fase α como en fase β; el barrido en fase β es más rápido, pero la transición de fase puede inducir maclado. El maclado se puede mitigar sometiendo el cristal a una tensión de compresión en la dirección X, o a un campo eléctrico de CA o CC a lo largo del eje X mientras el cristal se enfría a través de la región de temperatura de transformación de fase. [ 39 ]

El barrido también puede utilizarse para introducir un tipo de impureza en el cristal. Los cristales barridos con litio, sodio e hidrógeno se utilizan, por ejemplo, para estudiar el comportamiento del cuarzo.

Mediante fotolitografía se pueden fabricar cristales muy pequeños para frecuencias de modo fundamental elevadas. [ 29 ]

Guarnición

Los cristales pueden ajustarse a frecuencias exactas mediante recorte láser . Una técnica utilizada en el mundo de la radioafición para disminuir ligeramente la frecuencia del cristal consiste en exponer cristales con electrodos de plata a vapores de yodo , lo que provoca un ligero aumento de masa en la superficie al formar una fina capa de yoduro de plata ; sin embargo, estos cristales presentaban problemas de estabilidad a largo plazo. Otro método comúnmente utilizado es el aumento o la disminución electroquímica del grosor del electrodo de plata sumergiendo un resonador en lapislázuli disuelto en agua, ácido cítrico en agua o agua con sal, y utilizando el resonador como un electrodo y un pequeño electrodo de plata como el otro.

Al elegir la dirección de la corriente, se puede aumentar o disminuir la masa de los electrodos. Los detalles fueron publicados en la revista "Radio" (3/1978) por UB5LEV.

No se recomienda aumentar la frecuencia raspando partes de los electrodos, ya que esto puede dañar el cristal y disminuir su factor Q. También se pueden usar condensadores ajustables para regular la frecuencia del circuito oscilador.

Otros materiales

Se pueden emplear otros materiales piezoeléctricos además del cuarzo. Estos incluyen monocristales de tantalato de litio , niobato de litio , borato de litio , berlinita , arseniuro de galio , tetraborato de litio , fosfato de aluminio , óxido de bismuto y germanio , cerámica policristalina de titanato de circonio , cerámica de alta alúmina, compuesto de óxido de silicio y zinc o tartrato dipotásico . [ 41 ] [ 42 ] Algunos materiales pueden ser más adecuados para aplicaciones específicas. También se puede fabricar un cristal oscilador depositando el material resonador sobre la superficie del chip de silicio. [ 43 ] Los cristales de fosfato de galio , langasita , langanita y langatato son aproximadamente 10 veces más estirables que los cristales de cuarzo correspondientes y se utilizan en algunos osciladores VCXO. [ 44 ]

Estabilidad

La estabilidad de frecuencia está determinada por el factor de calidad (factor Q) del cristal. Este factor es inversamente proporcional a la frecuencia y a una constante que depende del corte específico. Otros factores que influyen en Q son el armónico utilizado, la temperatura, el nivel de excitación del cristal, la calidad del acabado superficial, las tensiones mecánicas impuestas al cristal por la unión y el montaje, la geometría del cristal y de los electrodos conectados, la pureza del material y los defectos del cristal, el tipo y la presión del gas en la cámara, los modos de interferencia y la presencia y dosis absorbida de radiación ionizante y de neutrones.

La estabilidad de los cristales con corte AT disminuye al aumentar la frecuencia. Para obtener frecuencias más altas con mayor precisión, es preferible utilizar un cristal con una frecuencia fundamental más baja, que opere en un armónico.

Un circuito oscilador mal diseñado puede comenzar repentinamente a oscilar en un armónico . En 1972, un tren en Fremont, California, descarriló debido a un oscilador defectuoso. Un valor inadecuado del condensador del tanque provocó que el cristal de una placa de control se sobrecargara, saltando a un armónico y causando que el tren acelerara en lugar de desacelerar. [ 45 ]

Temperatura

La temperatura influye en la frecuencia de funcionamiento; se utilizan diversas formas de compensación, desde la compensación analógica (TCXO) y la compensación por microcontrolador (MCXO) hasta la estabilización de la temperatura con un horno de cristal (OCXO). Los cristales presentan histéresis térmica ; la frecuencia a una temperatura dada que se obtiene al aumentar la temperatura no es igual a la frecuencia a la misma temperatura que se obtiene al disminuirla. La sensibilidad a la temperatura depende principalmente del corte; los cortes con compensación de temperatura se eligen para minimizar la dependencia frecuencia/temperatura. Se pueden realizar cortes especiales con características de temperatura lineales; el corte LC se utiliza en termómetros de cuarzo. Otros factores influyentes son el armónico utilizado, el montaje y los electrodos, las impurezas en el cristal, la tensión mecánica, la geometría del cristal, la velocidad de cambio de temperatura, el historial térmico (debido a la histéresis), la radiación ionizante y el nivel de excitación.

Los cristales suelen presentar anomalías en sus características de frecuencia/temperatura y resistencia/temperatura, conocidas como caídas de actividad. Se trata de pequeñas fluctuaciones de frecuencia (a la baja) o de resistencia (al alza) localizadas a ciertas temperaturas, cuya posición depende del valor de los condensadores de carga.

Esfuerzo mecánico

Las tensiones mecánicas también influyen en la frecuencia. Estas tensiones pueden ser inducidas por el montaje, la unión y la aplicación de los electrodos, por la dilatación térmica diferencial del montaje, los electrodos y el propio cristal, por las tensiones térmicas diferenciales cuando existe un gradiente de temperatura, por la expansión o contracción de los materiales de unión durante el curado, por la presión del aire que se transfiere a la presión ambiente dentro de la carcasa del cristal, por las tensiones de la propia red cristalina (crecimiento no uniforme, impurezas, dislocaciones), por las imperfecciones superficiales y los daños causados ​​durante la fabricación, y por la acción de la gravedad sobre la masa del cristal; por lo tanto, la frecuencia puede verse influenciada por la posición del cristal. Otros factores que inducen tensiones dinámicas son los golpes, las vibraciones y el ruido acústico. Algunos cortes son menos sensibles a las tensiones; el corte SC (compensado por tensión) es un ejemplo. Los cambios en la presión atmosférica también pueden introducir deformaciones en la carcasa, influyendo en la frecuencia al cambiar las capacitancias parásitas.

La humedad atmosférica influye en las propiedades de transferencia térmica del aire y puede cambiar las propiedades eléctricas de los plásticos por difusión de moléculas de agua en su estructura, alterando las constantes dieléctricas y la conductividad eléctrica . [ 46 ]

Otros factores que influyen en la frecuencia son la tensión de alimentación, la impedancia de carga, los campos magnéticos, los campos eléctricos (en el caso de cortes sensibles a ellos, por ejemplo, cortes SC), la presencia y la dosis absorbida de partículas gamma y radiación ionizante, y la edad del cristal.

Envejecimiento

Los cristales experimentan un cambio gradual y lento de frecuencia con el tiempo, conocido como envejecimiento. Existen muchos mecanismos involucrados. El montaje y los contactos pueden sufrir una liberación de las tensiones internas. Las moléculas contaminantes, ya sea de la atmósfera residual, desgasificadas del cristal, los electrodos o los materiales de embalaje, o introducidas durante el sellado de la carcasa, pueden adsorberse en la superficie del cristal, cambiando su masa; este efecto se aprovecha en las microbalanzas de cristal de cuarzo . La composición del cristal puede alterarse gradualmente por desgasificación, difusión de átomos de impurezas o migración desde los electrodos, o la red cristalina puede dañarse por radiación. Pueden ocurrir reacciones químicas lentas sobre o dentro del cristal, o en las superficies internas de la carcasa. El material del electrodo, por ejemplo, cromo o aluminio, puede reaccionar con el cristal, creando capas de óxido metálico y silicio; estas capas de interfaz pueden sufrir cambios con el tiempo. La presión dentro de la carcasa puede cambiar debido a variaciones en la presión atmosférica, la temperatura, fugas o desgasificación de los materiales internos. Los factores ajenos al propio cristal son, por ejemplo, el envejecimiento del circuito oscilador (y, por ejemplo, el cambio de capacitancias) y la deriva de los parámetros del horno del cristal. La composición de la atmósfera externa también puede influir en el envejecimiento; el hidrógeno puede difundirse a través de la carcasa de níquel. El helio puede causar problemas similares cuando se difunde a través de las vitrinas de los estándares de rubidio . [ 47 ]

El oro es un material de electrodo preferido para resonadores de bajo envejecimiento; su adhesión al cuarzo es lo suficientemente fuerte como para mantener el contacto incluso ante fuertes impactos mecánicos, pero lo suficientemente débil como para no soportar gradientes de tensión significativos (a diferencia del cromo, el aluminio y el níquel). El oro tampoco suele formar óxidos; adsorbe contaminantes orgánicos del aire, pero estos son fáciles de eliminar. Sin embargo, el oro por sí solo puede sufrir delaminación; por lo tanto, a veces se utiliza una capa de cromo para mejorar la fuerza de unión. La plata y el aluminio se utilizan a menudo como electrodos; sin embargo, ambos forman capas de óxido con el tiempo, lo que aumenta la masa del cristal y disminuye la frecuencia. La plata se puede pasivar mediante la exposición a vapores de yodo , formando una capa de yoduro de plata . El aluminio se oxida fácilmente pero lentamente, hasta alcanzar un espesor de aproximadamente 5  nm; el aumento de la temperatura durante el envejecimiento artificial no aumenta significativamente la velocidad de formación de óxido; se puede formar una capa de óxido gruesa durante la fabricación mediante anodizado . [ 48 ]

Una tensión continua entre los electrodos puede acelerar el envejecimiento inicial, probablemente debido a la difusión inducida de impurezas a través del cristal. Colocar un condensador en serie con el cristal y una resistencia de varios megaohmios en paralelo puede minimizar dichas tensiones.

El envejecimiento disminuye logarítmicamente con el tiempo, produciéndose los mayores cambios poco después de su fabricación. El envejecimiento artificial de un cristal mediante un almacenamiento prolongado a temperaturas entre 85 y 125  °C puede aumentar su estabilidad a largo plazo.

Daños mecánicos

Los cristales son sensibles a los golpes . La tensión mecánica provoca un cambio transitorio en la frecuencia del oscilador debido a la sensibilidad del cristal a dicha tensión, y puede introducir un cambio permanente de frecuencia debido a cambios en el montaje y tensiones internas inducidos por el golpe (si se superan los límites elásticos de las piezas mecánicas), la desorción de contaminantes de las superficies del cristal o cambios en los parámetros del circuito del oscilador. Los golpes de alta magnitud pueden arrancar los cristales de sus soportes (especialmente en el caso de cristales grandes de baja frecuencia suspendidos en cables delgados) o provocar el agrietamiento del cristal. Los cristales sin imperfecciones superficiales son altamente resistentes a los golpes; el pulido químico puede producir cristales capaces de soportar decenas de miles de g . [ 49 ]

Los cristales no tienen mecanismos de falla inherentes; algunos han funcionado en dispositivos durante décadas. Sin embargo, pueden producirse fallas debido a defectos en la unión, fugas en las carcasas, corrosión, desplazamiento de frecuencia por envejecimiento, rotura del cristal por un choque mecánico demasiado fuerte o daños inducidos por radiación cuando se utiliza cuarzo sin barrido . [ 50 ] Los cristales también pueden dañarse por sobrecarga.

fluctuaciones de frecuencia

Los cristales también sufren fluctuaciones de frecuencia menores a corto plazo. Las principales causas de este ruido son, por ejemplo, el ruido térmico (que limita el nivel de ruido), la dispersión de fonones (influenciada por defectos de la red), la adsorción/desorción de moléculas en la superficie del cristal, el ruido de los circuitos del oscilador, los golpes y vibraciones mecánicas, los cambios de aceleración y orientación, las fluctuaciones de temperatura y la liberación de tensiones mecánicas. La estabilidad a corto plazo se mide mediante cuatro parámetros principales: la varianza de Allan (la más común especificada en las hojas de datos del oscilador), el ruido de fase, la densidad espectral de las desviaciones de fase y la densidad espectral de las desviaciones de frecuencia fraccionarias. Los efectos de la aceleración y la vibración tienden a predominar sobre las demás fuentes de ruido; los dispositivos de ondas acústicas superficiales tienden a ser más sensibles que los de ondas acústicas volumétricas (BAW), y los cortes compensados ​​por tensión son aún menos sensibles. La orientación relativa del vector de aceleración con respecto al cristal influye drásticamente en la sensibilidad a la vibración del cristal. Se pueden utilizar soportes de aislamiento de vibraciones mecánicas para cristales de alta estabilidad.

El ruido de fase desempeña un papel importante en los sistemas de síntesis de frecuencia que utilizan la multiplicación de frecuencia; al multiplicar una frecuencia por N, la potencia del ruido de fase aumenta en N² . Una multiplicación de frecuencia por 10 veces multiplica la magnitud del error de fase por 10. Esto puede ser desastroso para los sistemas que emplean tecnologías PLL o FSK .

Los campos magnéticos tienen poco efecto sobre el cristal en sí, ya que el cuarzo es diamagnético ; sin embargo, se pueden inducir corrientes parásitas o voltajes de CA en los circuitos, y las partes magnéticas del montaje y la carcasa pueden verse afectadas.

Tras el encendido, los cristales tardan entre varios segundos y minutos en "calentarse" y estabilizar su frecuencia. Los OCXO controlados por horno suelen requerir entre 3 y 10 minutos para alcanzar el equilibrio térmico; los osciladores sin horno se estabilizan en pocos segundos, ya que los pocos milivatios disipados en el cristal provocan un calentamiento interno pequeño pero perceptible. [ 51 ]

Nivel de conducción

Los cristales deben ser excitados al nivel de excitación adecuado. Los cristales de baja frecuencia, especialmente los de modo flexional, pueden fracturarse a niveles de excitación demasiado altos. El nivel de excitación se especifica como la cantidad de potencia disipada en el cristal. Los niveles de excitación adecuados son aproximadamente 5 μW para modos flexionales de hasta 100  kHz, 1 μW para modos fundamentales de 1 a 4  MHz, 0,5 μW para modos fundamentales de 4 a 20  MHz y 0,5 μW para modos de sobretono de 20 a 200  MHz. [ 52 ] Un nivel de excitación demasiado bajo puede causar problemas al arrancar el oscilador. Los niveles de excitación bajos son mejores para una mayor estabilidad y un menor consumo de energía del oscilador. Los niveles de excitación más altos, a su vez, reducen el impacto del ruido al aumentar la relación señal-ruido . [ 53 ]

Cortes de cristal

La placa resonadora se puede cortar del cristal fuente de diversas maneras. La orientación del corte influye en las características de envejecimiento del cristal, su estabilidad de frecuencia, sus propiedades térmicas y otros parámetros. Estos cortes funcionan con ondas acústicas volumétricas (BAW); para frecuencias más altas, se emplean dispositivos de ondas acústicas superficiales (SAW).

Imagen de varios cortes de cristal [ 54 ]

La letra 'T' en el nombre del corte indica un corte con compensación de temperatura, es decir, un corte orientado de manera que los coeficientes de temperatura de la red sean mínimos; los  cortes FC y SC también tienen compensación de temperatura.

Los cortes de alta frecuencia se montan por sus bordes, generalmente sobre resortes; la rigidez del resorte debe ser óptima, ya que si es demasiado rígido, los golpes mecánicos podrían transmitirse al cristal y provocar su rotura, y si es demasiado débil, el cristal podría chocar con el interior del encapsulado al ser sometido a un golpe mecánico y romperse. Los resonadores de tira, generalmente  cortes AT, son más pequeños y, por lo tanto, menos sensibles a los golpes mecánicos. A la misma frecuencia y armónico, la tira tiene menor capacidad de tracción, mayor resistencia y mayor coeficiente de temperatura. [ 72 ]

Los cortes de baja frecuencia se montan en los nodos donde permanecen prácticamente inmóviles; en esos puntos, a cada lado, se fijan finos cables entre el cristal y los conductores. La gran masa del cristal suspendido sobre los finos cables hace que el conjunto sea sensible a golpes y vibraciones mecánicas. [ 55 ]

Los cristales suelen montarse en cajas de vidrio o metal selladas herméticamente, llenas de una atmósfera seca e inerte, generalmente vacío, nitrógeno o helio. También se pueden usar carcasas de plástico, pero estas no son herméticas y requieren un sellado secundario adicional alrededor del cristal.

Además de la forma clásica de conectar directamente los conductores al cristal, son posibles varias configuraciones de resonador. Por ejemplo, el resonador BVA (Boîtier à Vieillissement Amélioré, Enclosure with Improved Aging), [ 73 ] desarrollado en 1976; las partes que influyen en las vibraciones se mecanizan a partir de un solo cristal (lo que reduce la tensión de montaje), y los electrodos se depositan no en el propio resonador, sino en las caras internas de dos discos condensadores hechos de láminas adyacentes de cuarzo de la misma barra, formando un sándwich de tres capas sin tensión entre los electrodos y el elemento vibrante. El espacio entre los electrodos y el resonador actúa como dos pequeños condensadores en serie, lo que hace que el cristal sea menos sensible a las influencias del circuito. [ 74 ] La arquitectura elimina los efectos de los contactos superficiales entre los electrodos, las limitaciones en las conexiones de montaje y los problemas relacionados con la migración de iones desde los electrodos a la red del elemento vibrante. [ 75 ] La configuración resultante es robusta, resistente a golpes y vibraciones, resistente a la aceleración y a la radiación ionizante, y presenta características de envejecimiento mejoradas. Generalmente se utiliza el corte AT, aunque también existen variantes con corte SC. Los resonadores BVA se utilizan a menudo en aplicaciones espaciales. [ 76 ]  

Entre las décadas de 1930 y 1950, era bastante común ajustar la frecuencia de los cristales mediante pulido manual. Los cristales se pulían con una pasta abrasiva fina, o incluso con pasta de dientes, para aumentar su frecuencia. Una ligera disminución de 1 a 2  kHz al pulir en exceso el cristal se lograba marcando su superficie con la mina de un lápiz, a costa de una disminución del factor Q. [ 77 ]

La frecuencia del cristal es ligeramente ajustable ("pullable") modificando las capacitancias conectadas. Un varactor , un diodo cuya capacitancia depende de la tensión aplicada, se utiliza a menudo en los osciladores de cristal controlados por tensión (VCXO). Los cortes del cristal suelen ser AT o, raramente, SC, y operan en modo fundamental; la cantidad de desviación de frecuencia disponible es inversamente proporcional al cuadrado del número de armónico, por lo que un tercer armónico tiene solo una novena parte de la capacidad de ajuste del modo fundamental.  Los cortes SC, si bien son más estables, son significativamente menos ajustables. [ 78 ]

Notaciones y abreviaturas de circuitos

En los diagramas esquemáticos eléctricos, los cristales se designan con la letra de clase Y (Y1, Y2, etc.). Los osciladores, ya sean osciladores de cristal u otros, se designan con la letra de clase G (G1, G2, etc.). [ 79 ] [ 80 ] Los cristales también pueden designarse en un esquema con X o XTAL (una abreviatura fonética, comparable a usar Xmas para Christmas ), o un oscilador de cristal con XO .

Tipos de osciladores de cristal y sus abreviaturas:

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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  • Rohde, Ulrich L. (agosto de 1997). Sintetizadores de microondas e inalámbricos: teoría y diseño . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-52019-1.
  • Poddar, AK; Rohde, Ulrich L. (21–24 de mayo de 2012). «Técnicas para minimizar el ruido de fase en circuitos osciladores de cristal». Actas del Simposio Internacional de Control de Frecuencia IEEE 2012. Simposio de Control de Frecuencia (FCS), IEEE Internacional 2012. IEEE. págs. 1–7 . doi : 10.1109/FCS.2012.6243701 . ISBN  978-1-4577-1820-5.
  • Poddar, AK; Rohde, UL; Apte, AM (30 de agosto de 2013). "¿Hasta dónde pueden llegar?: Modelo de ruido de fase del oscilador, validación teórica y experimental, y mediciones de ruido de fase". IEEE Microwave Magazine . 14 (6). IEEE: 50–72 . doi : 10.1109/MMM.2013.2269859 . S2CID 22624948 . 
  • Rohde, Ulrich L.; Poddar, AK; Apte, AM (30 de agosto de 2013). "Obteniendo su medida: técnicas y limitaciones de medición del ruido de fase del oscilador". IEEE Microwave Magazine . 14 (6). IEEE: 73–86 . doi : 10.1109/MMM.2013.2269860 . S2CID 40924332 . 
  • Rohde, Ulrich L. (31 de mayo - 2 de junio de 1978). Análisis matemático y diseño de un oscilador de 100 MHz de ruido ultrabajo  con limitador diferencial y sus posibilidades en estándares de frecuencia . Actas del 32.º Simposio Anual sobre Control de Frecuencia. Atlantic City, NJ. págs.  409––. doi : 10.1109/FREQ.1978.200269 .
  • Neubig, Bernd; Briese, Wolfgang (1997). Das große Quarzkochbuch [ El libro de cocina de cristal ] (PDF) (en alemán) (1  ed.). Feldkirchen, Alemania: Franzis Verlag . ISBN 978-3-7723-5853-1. Archivado del original (PDF) el 23-02-2019 . Consultado el 23-02-2019 .(Descargas alternativas: QSL : - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . AXTAL ZIP : - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 .)
  • Introducción a los estándares de frecuencia de cuarzo
  • "¿Qué es un dispositivo de cristal de cuarzo?" . QIAJ . Asociación de la Industria del Cristal de Cuarzo de Japón. 2007 . Consultado el 10 de agosto de 2008 .
  • Marvin E., Frerking (1996). "Cincuenta años de progreso en los estándares de frecuencia de cristal de cuarzo" . Actas del Simposio de Control de Frecuencia IEEE de 1996. Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. págs. 33–46 . Archivado del original el 12 de mayo de 2009. Recuperado el 31 de marzo de 2009 . 
  • Distorsiones en osciladores de cristal
  • Resonadores y osciladores de cristal de cuarzo
  • Resumen de varias páginas sobre cristales de cuarzo y sus osciladores, filtros, etc.
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