Oscilador de cristal

Oscilador de cristal

Un cristal de cuarzo en miniatura de 16 MHz encerrado en un paquete HC-49 / S herméticamente sellado , utilizado como resonador en un oscilador de cristal.
Tipo	Electromecánica
Principio de funcionamiento	Piezoelectricidad , resonancia
Inventado	Alexander M. Nicholson , Walter Guyton Cady
Primera produccion	1918
Símbolo electrónico

Un oscilador de cristal es un circuito oscilador electrónico que utiliza la resonancia mecánica de un cristal vibrante de material piezoeléctrico para crear una señal eléctrica con una frecuencia constante . ^{[1] [2] [3]} Esta frecuencia se utiliza a menudo para mantener un registro de tiempo, como en los relojes de pulsera de cuarzo , para proporcionar un estable señal de reloj para digitales circuitos integrados , y para estabilizar frecuencias para transmisores de radio y los receptores . El tipo más común de resonador piezoeléctrico utilizado es elcristal de cuarzo , por lo que los circuitos osciladores que los incorporan se conocieron como osciladores de cristal, ^[1] pero otros materiales piezoeléctricos , incluida la cerámica policristalina, se utilizan en circuitos similares.

Un oscilador de cristal se basa en el ligero cambio de forma de un cristal de cuarzo bajo un campo eléctrico , una propiedad conocida como electrostricción o piezoelectricidad inversa . Un voltaje aplicado a un electrodo en el cristal hace que cambie de forma; cuando se quita el voltaje, el cristal genera un pequeño voltaje ya que vuelve elásticamente a su forma original. El cuarzo oscila a una frecuencia de resonancia estable, comportándose como un circuito RLC , pero con un factor Q mucho más alto.(menor pérdida de energía en cada ciclo de oscilación). Una vez que un cristal de cuarzo se ajusta a una frecuencia particular (que se ve afectada por la masa de electrodos adheridos 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. Anualmente se fabrican más de dos mil millones de cristales. ^{[ cita requerida ]} La mayoría se utilizan para dispositivos de consumo como relojes de pulsera , relojes , radios , computadoras y teléfonos celulares . Sin embargo, en aplicaciones donde se necesita un tamaño y un peso pequeños, los cristales se pueden reemplazar por resonadores acústicos en masa de película delgada, específicamente si se necesita resonancia de alta frecuencia (más de aproximadamente 1,5 GHz). Los cristales de cuarzo también se encuentran dentro de los 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 electrónico que utiliza un resonador piezoeléctrico, un cristal, como elemento determinante de la frecuencia. Cristal es el término común utilizado en electrónica para el componente que determina la frecuencia, una oblea de cristal de cuarzo o cerámica con electrodos conectados. Un término más exacto 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 separados para su uso en circuitos de oscilador de cristal. En la imagen se muestra un ejemplo. También suelen incorporarse en un solo paquete con el circuito oscilador de cristal, que se muestra en el lado derecho.

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 de Bell Labs muy tempranos de Vectron International Collection

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 , utilizando un cristal de sal de Rochelle , fue construido en 1917 y patentado ^[5] en 1918 por Alexander M. Nicholson en Bell Telephone Laboratories , aunque su prioridad fue disputada por Walter Guyton Cady . ^[6] Cady construyó el primer oscilador de cristal de cuarzo en 1921. ^[7] Otros innovadores tempranos en osciladores de cristal de cuarzo incluyenGW 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 fácilmente podían desviar la frecuencia de 3 a 4 kHz. ^[8] Dado que a las estaciones de radiodifusión se les asignaron frecuencias con una separación de solo 10 kHz, la interferencia entre estaciones adyacentes debido a la deriva de frecuencia fue un problema común. ^[8] En 1925, Westinghouse instaló un oscilador de cristal en su estación insignia KDKA, ^[8] y en 1926, los cristales de cuarzo se usaban para controlar la frecuencia de muchas estaciones de radiodifusión y eran populares entre los radioaficionados. ^[9] En 1928, Warren Marrison de Bell Telephone Laboratories desarrolló el primerreloj de cristal de cuarzo . Con precisiones de hasta 1 segundo en 30 años (30 ms / año o 0,95 ns / s), ^[7] los relojes de cuarzo reemplazaron a los relojes de péndulo de precisión como los cronometradores más precisos del mundo hasta que se desarrollaron los relojes atómicos en la década de 1950. Utilizando el trabajo inicial en Bell Labs, AT&T finalmente estableció su división de Productos de control de frecuencia, que luego se separó y se conoce hoy como Vectron International. ^[10]

Varias empresas comenzaron a producir cristales de cuarzo para uso electrónico durante este tiempo. Utilizando lo que ahora se consideran métodos primitivos, se produjeron alrededor de 100.000 unidades de cristal en los Estados Unidos durante 1939. Durante la Segunda Guerra Mundial, los cristales se fabricaron a partir de cristal de cuarzo natural, prácticamente todos de Brasil . La escasez de cristales durante la guerra causada por la demanda de un control de frecuencia preciso de radios y radares militares y navales impulsó la investigación de posguerra sobre el cultivo de cuarzo sintético, y en 1950 se desarrolló en Bell Laboratories un proceso hidrotermal para el cultivo de cristales de cuarzo a escala comercial.. En la década de 1970, prácticamente todos los cristales utilizados en electrónica eran sintéticos.

En 1968, Juergen Staudte inventó un proceso fotolitográfico para fabricar osciladores de cristal de cuarzo mientras trabajaba en North American Aviation (ahora Rockwell ) que permitió que se hicieran lo suficientemente pequeños para productos portátiles como relojes. ^[11]

Aunque los osciladores de cristal todavía utilizan con mayor frecuencia cristales de cuarzo, los dispositivos que utilizan otros materiales son cada vez más comunes, como los resonadores cerámicos .

Modos de oscilación de cristal

Operación

Un cristal es un sólido en el que los átomos , moléculas o iones constituyentes están empaquetados en un patrón repetido 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 apropiados , ya que todos los objetos tienen frecuencias de vibración resonantes naturales . Por ejemplo, el acero es muy elástico y tiene una alta velocidad de sonido. A menudo se usaba 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 se cortan típicamente en forma de un rectángulo simple o un disco circular. Los cristales de baja frecuencia, como los que se utilizan en los relojes digitales, suelen cortarse en forma de diapasón.. Para aplicaciones que no necesitan 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 hacer que se distorsione en un campo eléctrico aplicando un voltaje a un electrodo cerca o sobre el cristal. Esta propiedad se conoce como electrostricción o piezoelectricidad inversa. Cuando se elimina el campo, el cuarzo genera un campo eléctrico a medida que vuelve a su forma anterior, y esto puede generar un voltaje. El resultado es que 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 tiene la ventaja adicional de que sus constantes elásticas y su tamaño cambian de tal manera que la dependencia de la frecuencia de la temperatura puede ser muy baja. Las características específicas dependen del modo de vibración y del ángulo en el que se corta el cuarzo (en relación con sus ejes cristalográficos). ^[12] Por lo tanto, la frecuencia de resonancia de la placa, que depende de su tamaño, no cambia mucho. Esto significa que un reloj de cuarzo, filtro u oscilador sigue siendo preciso. Para aplicaciones críticas, el oscilador de cuarzo se monta en un recipiente de temperatura controlada, llamado horno de cristal , y también se puede montar en 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 (serie) y alta impedancia (paralelos) espaciados muy cerca. Matemáticamente (usando la transformada de Laplace ), la impedancia de esta red se puede escribir como:

Símbolo esquemático y circuito equivalente para un cristal de cuarzo en un oscilador

${\displaystyle Z(s)=\left({{\frac {1}{s\cdot C_{1}}}+s\cdot L_{1}+R_{1}}\right)\left\|\left({\frac {1}{s\cdot C_{0}}}\right)\right.,}$

o

${\displaystyle {\begin{aligned}Z(s)&={\frac {s^{2}+s{\frac {R_{1}}{L_{1}}}+{\omega _{\mathrm {s} }}^{2}}{\left(s\cdot C_{0}\right)\left[s^{2}+s{\frac {R_{1}}{L_{1}}}+{\omega _{\mathrm {p} }}^{2}\right]}}\\[2pt]\Rightarrow \omega _{\mathrm {s} }&={\frac {1}{\sqrt {L_{1}\cdot C_{1}}}},\quad \omega _{\mathrm {p} }={\sqrt {\frac {C_{1}+C_{0}}{L_{1}\cdot C_{1}\cdot C_{0}}}}=\omega _{s}{\sqrt {1+{\frac {C_{1}}{C_{0}}}}}\approx \omega _{s}\left(1+{\frac {C_{1}}{2C_{0}}}\right)\quad \left(C_{0}\gg C_{1}\right)\end{aligned}}}$

donde es la frecuencia compleja ( ), es la frecuencia angular resonante en serie y es la frecuencia angular resonante paralela.${\displaystyle s}$${\displaystyle s=j\omega }$${\displaystyle \omega _{\mathrm {s} }}$${\displaystyle \omega _{\mathrm {p} }}$

Agregar capacitancia a través de un cristal hace que la frecuencia de resonancia (en paralelo) disminuya. Agregar inductancia a través de un cristal hace que aumente la frecuencia de resonancia (en paralelo). Estos efectos se pueden utilizar para ajustar la frecuencia a la que oscila un cristal. Los fabricantes de cristales normalmente cortan y recortan sus cristales para tener una frecuencia de resonancia especificada con una capacitancia de "carga" conocida agregada al cristal. Por ejemplo, un cristal destinado a una carga de 6 pF tiene su frecuencia resonante paralela especificada cuando se coloca un capacitor de 6.0 pF a través de él. Sin la capacidad de carga, la frecuencia de resonancia es mayor.

Modos de resonancia

Un cristal de cuarzo proporciona resonancia tanto en serie como en paralelo. La resonancia en serie es unos kilohercios más baja que la paralela. Los cristales por debajo de 30 MHz generalmente operan entre resonancia en serie y en paralelo, lo que significa que el cristal aparece como una reactancia inductiva.en funcionamiento, esta inductancia forma un circuito resonante paralelo con capacitancia paralela conectada externamente. Cualquier pequeña capacitancia adicional en paralelo con el cristal reduce la frecuencia. Además, la reactancia inductiva efectiva del cristal se puede reducir agregando un condensador en serie con el cristal. Esta última técnica puede proporcionar un método útil para recortar la frecuencia oscilatoria 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 del cristal. Tenga en cuenta que estos puntos implican una sutileza con respecto a los osciladores de cristal en este rango de frecuencia:el cristal no suele oscilar precisamente en ninguna de sus frecuencias de resonancia.

Los cristales por encima de 30 MHz (hasta> 200 MHz) generalmente se operan en resonancia en serie donde la impedancia aparece en su 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 que un cristal vibre en uno de sus modos armónicos , que ocurren cerca de múltiplos de la frecuencia resonante fundamental. Solo se utilizan armónicos impares. Tal cristal se conoce como un tercer, quinto o incluso séptimo cristal entonado. Para lograr esto, el circuito oscilador generalmente incluye circuitos LC adicionales para seleccionar el sobretono deseado.

Efectos de la temperatura

La característica de frecuencia de un cristal depende de la forma o "corte" del cristal. Un cristal de diapasón generalmente se corta de manera que su dependencia de la frecuencia con la temperatura sea cuadrática con el máximo alrededor de 25 ° C. ^{[ cita requerida ]} 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 −0,04 ppm / ° C ² : ^{[ cita requerida ]}

${\displaystyle f=f_{0}\left[1-0.04~{\text{ppm}}/^{\circ }{\text{C}}^{2}\cdot (T-T_{0})^{2}\right].}$

En una aplicación real, esto significa que un reloj construido con un cristal de diapasón regular de 32 kHz mantiene un buen tiempo a temperatura ambiente, pero pierde 2 minutos por año a 10 ° C por encima o por debajo de la temperatura ambiente y pierde 8 minutos por año a 20 ° C. ° C por encima o por debajo de la temperatura ambiente debido al cristal de cuarzo.

Circuitos de oscilador de cristal

Un cristal utilizado en equipos de radiocontrol para aficionados para seleccionar la frecuencia.

Dentro de un moderno módulo de oscilador de cristal de cuarzo con paquete DIP. Incluye una base de PCB de cerámica, un oscilador, un chip divisor (/ 8), un condensador de derivación y un cristal de corte AT. ^[13]

El circuito del oscilador de cristal sostiene la oscilación tomando una señal de voltaje del resonador de cuarzo , amplificándola y devolviéndola 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 coincide con las pérdidas en el circuito, se puede mantener una oscilación.

Un cristal oscilador tiene dos placas conductoras de electricidad, con una rebanada o un diapasón de cristal de cuarzo intercaladas entre ellas. Durante el arranque, el circuito de control coloca el cristal en un equilibrio inestable y, debido a la retroalimentación positiva en el sistema, cualquier pequeña fracción de ruidose amplifica, aumentando la oscilación. El resonador de cristal también puede verse como un filtro altamente selectivo en frecuencia en este sistema: solo pasa una subbanda de frecuencias muy estrecha alrededor de la resonante, atenuando todo lo demás. Eventualmente, solo la frecuencia resonante está activa. A medida que el oscilador amplifica las señales que salen del cristal, las señales en la banda de frecuencia del cristal se vuelven más fuertes y eventualmente dominan la salida del oscilador. La estrecha banda de resonancia del cristal de cuarzo filtra todas las frecuencias no deseadas.

La frecuencia de salida de un oscilador de cuarzo puede ser la de la resonancia fundamental o la de un múltiplo de esa resonancia, llamada frecuencia armónica . Los armónicos son un múltiplo entero exacto de la frecuencia fundamental. Pero, como muchos otros resonadores mecánicos, los cristales exhiben varios modos de oscilación, generalmente en múltiplos enteros aproximadamente impares de la frecuencia fundamental. Estos se denominan "modos de sobretonos" y los circuitos osciladores pueden diseñarse para excitarlos. Los modos de sobretonos se encuentran en frecuencias que son aproximadas, pero no múltiplos enteros impares exactos de los del modo fundamental, y las frecuencias de sobretonos por lo tanto no son armónicos exactos de la fundamental.

Los cristales de alta frecuencia a menudo están diseñados para operar en tonos de tercero, quinto o séptimo. Los fabricantes tienen dificultades para producir cristales lo suficientemente delgados como para producir frecuencias fundamentales superiores a 30 MHz. Para producir frecuencias más altas, los fabricantes hacen cristales de sobretonos sintonizados para poner el tercer, quinto o séptimo sobretono en la frecuencia deseada, porque son más gruesos y, por lo tanto, más fáciles de fabricar que un cristal fundamental que produciría la misma frecuencia, aunque excitando el sobretono deseado. La frecuencia requiere un circuito oscilador un poco más complicado. ^{[14] [15] [16] [17] [18]}Un circuito de oscilador de cristal fundamental es más simple y más eficiente y tiene más capacidad de tracción que un tercer circuito de armónicos. Dependiendo del fabricante, la frecuencia fundamental más alta disponible puede ser de 25 MHz a 66 MHz. ^{[19] [20]}

Partes internas de un cristal de cuarzo.

Una razón principal para el amplio uso de osciladores de cristal es su alto factor Q . Un valor Q típico para un oscilador de cuarzo varía de 10 ⁴ a 10 ⁶ , en comparación con quizás 10 ² para un oscilador LC . El Q máximo para un oscilador de cuarzo de alta estabilidad se puede estimar como Q = 1,6 × 10 ⁷ / f , donde f es la frecuencia de resonancia en megahercios. ^{[21] [22]}

Una de las características más importantes de los osciladores de cristal de cuarzo es que pueden presentar un ruido de fase muy bajo . En muchos osciladores, el oscilador amplifica cualquier energía espectral en la frecuencia de resonancia, lo que da como resultado una colección de tonos en diferentes fases. En un oscilador de cristal, el cristal vibra principalmente en un eje, por lo tanto, solo una fase es dominante. Esta propiedad del ruido de fase bajo los hace particularmente útiles en telecomunicaciones donde se necesitan señales estables y en equipos científicos donde se necesitan referencias de tiempo muy precisas.

Los cambios ambientales de temperatura, humedad, presión y vibración pueden cambiar la frecuencia de resonancia de un cristal de cuarzo, pero existen varios diseños que reducen estos efectos ambientales. Estos incluyen TCXO, MCXO y OCXO que se definen a continuación . Estos diseños, particularmente el OCXO, a menudo producen 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 del oscilador. La estabilidad a largo plazo está limitada por el envejecimiento del cristal.

Debido al envejecimiento y los factores ambientales (como la temperatura y la vibración), es difícil mantener incluso los mejores osciladores de cuarzo dentro de una parte de 10 ¹⁰ de su frecuencia nominal sin un ajuste constante. Por esta razón, los osciladores atómicos se utilizan para aplicaciones que requieren una mejor estabilidad y precisión a largo plazo.

Frecuencias espurias

Cristal de 25 MHz que presenta una respuesta falsa

Para cristales operados en resonancia en serie o separados del modo principal mediante la inclusión de un inductor o condensador en serie, se pueden experimentar respuestas espurias significativas (y dependientes de la temperatura). Aunque la mayoría de los modos espurios están típicamente algunas decenas de kilohercios por encima de la resonancia de la serie deseada, su coeficiente de temperatura es diferente del modo principal y la respuesta espuria puede moverse a través del modo principal a ciertas temperaturas. Incluso si las resistencias en serie en las resonancias espúreas parecen más altas que en la frecuencia deseada, puede ocurrir un cambio rápido en la resistencia en serie del modo principal a temperaturas específicas cuando las dos frecuencias son coincidentes. Una consecuencia de estas caídas de actividad es que el oscilador puede bloquearse en una frecuencia falsa a temperaturas específicas.Esto generalmente se minimiza asegurando que el circuito de mantenimiento tenga una ganancia insuficiente para activar modos no deseados.

Las frecuencias espúreas también se generan al someter el cristal a vibraciones. Esto modula la frecuencia de resonancia en un pequeño grado por la frecuencia de las vibraciones. Los cristales de corte SC están diseñados para minimizar el efecto de frecuencia de la tensión de montaje y, por lo tanto, son menos sensibles a las vibraciones. Los efectos de aceleración, incluida la gravedad, también se reducen con los cristales de corte SC, al igual que el cambio de frecuencia con el tiempo debido a la variación de la tensión de montaje a largo plazo. Existen desventajas con los cristales de modo de corte con corte SC, 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 somete a un rango ambiental completo. Los cristales de corte SC son más ventajosos cuando es posible el control de temperatura a su temperatura de coeficiente de temperatura cero (rotación),en estas circunstancias, un rendimiento de estabilidad general de las unidades premium puede acercarse a la estabilidad de los estándares de frecuencia de rubidio.

Frecuencias de cristal de uso común

Artículo principal: frecuencias de oscilador de cristal

Los cristales se pueden fabricar para la oscilación en una amplia gama 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 cientos de frecuencias de cristal estándar se fabrican en grandes cantidades y se almacenan en distribuidores de electrónica. Por ejemplo, los cristales de 3,579545 MHz, que se fabrican en grandes cantidades para los receptores de televisión en color NTSC , también son populares para muchas aplicaciones que no son de televisión. Utilizando divisores de frecuencia , multiplicadores de frecuencia y circuitos de bucle de bloqueo de fase , resulta práctico derivar una amplia gama de frecuencias a partir de una frecuencia de referencia.

Estructuras y materiales cristalinos

Cuarzo

Tipos de envases comunes para productos de cristal de cuarzo

Racimo de cristales de cuarzo natural

Un cristal de cuarzo sintético cultivado por síntesis hidrotermal , de unos 19 cm de largo y un peso de unos 127 g.

Cristal de diapasón utilizado en un reloj de cuarzo moderno

Cristal de cuarzo simple

Construcción interior de un moderno cristal de cuarzo de paquete HC-49 de alto rendimiento

Cristales de flexión y cizallamiento de espesor

El material más común para los cristales osciladores es el cuarzo . Al comienzo de la tecnología, se usaban cristales de cuarzo natural, pero ahora predomina el cuarzo cristalino sintético cultivado por síntesis hidrotermal debido a su mayor pureza, menor costo y manejo más conveniente. Uno de los pocos usos que quedan de los cristales naturales es para transductores de presión en pozos profundos. Durante la Segunda Guerra Mundial y durante algún tiempo después, el cuarzo natural fue considerado un material estratégico por Estados Unidos. Se importaron cristales grandes de Brasil. Las "lascas" en bruto, el material de origen del cuarzo para la síntesis hidrotermal, se importan a EE. UU. O Coleman Quartz las extrae localmente. El valor promedio del cuarzo sintético recién crecido en 1994 fue de 60 USD./kg. ^[23]

Tipos

Existen dos tipos de cristales de cuarzo: zurdos y diestros. Los dos difieren en su rotación óptica pero son idénticos en otras propiedades físicas. Se pueden utilizar cristales tanto para diestros como para zurdos para osciladores, si el ángulo de corte es correcto. En la fabricación, generalmente se usa cuarzo para diestros. ^[24] Los tetraedros de SiO ₄ forman hélices paralelas; la dirección de giro de la hélice determina la orientación hacia la izquierda o hacia la derecha. Las hélices se alinean a lo largo del eje zy se fusionan, compartiendo átomos. La masa de las hélices forma una malla de canales pequeños y grandes paralelos al eje z. Los grandes son lo suficientemente grandes como para permitir cierta movilidad de iones y moléculas más pequeños a través del cristal. ^[25]

El cuarzo existe en varias fases. A 573 ° C a 1 atmósfera (y a temperaturas y presiones más altas), el cuarzo α sufre una inversión de cuarzo , se transforma reversiblemente en cuarzo β. Sin embargo, el proceso inverso no es del todo homogéneo y se produce el hermanamiento de cristales . Se debe tener cuidado durante la fabricación y el procesamiento para evitar la transformación de fase. Otras fases, por ejemplo, las fases de temperatura más alta tridimita y cristobalita , no son significativas para los osciladores. Todos los cristales osciladores de cuarzo son del tipo α-cuarzo.

Calidad

La espectrofotometría infrarroja se utiliza como uno de los métodos para medir la calidad de los cristales crecidos. 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 Q de 1.8 millones o más; los cristales de grado B premium tienen Q de 2,2 millones, y los cristales de grado A especiales tienen 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 del canal de grabado; cuando el cristal está grabado, los canales tubulares se crean a lo largo de defectos lineales. Para el procesamiento que implica grabado, por ejemplo, los cristales del diapasón de reloj de pulsera, es deseable una densidad de canal de grabado baja. La densidad del canal de grabado para el cuarzo barrido es de aproximadamente 10–100 y significativamente más para el cuarzo no barrido. La presencia de canales de grabado y picaduras de grabado degrada la Q del resonador e introduce no linealidades. ^[26]

Producción

Ver también: Crecimiento de cristales

Los cristales de cuarzo se pueden cultivar para fines específicos.

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

Los cristales para dispositivos SAW se cultivan planos, con semillas grandes de tamaño X con baja densidad de canales de grabado.

Los cristales especiales de alta Q, para su uso en osciladores altamente estables, crecen a una velocidad lenta constante y tienen una absorción de infrarrojos baja constante a lo largo de todo el eje Z. Los cristales se pueden cultivar como barra en Y, con un cristal semilla en forma de barra y alargado a lo largo del eje Y, o como placa en Z, cultivado a partir de una semilla de placa con la longitud en la dirección del eje Y y el ancho del eje X. ^[24] La región alrededor del cristal semilla contiene una gran cantidad de defectos cristalinos y no debe usarse para las obleas.

Los cristales crecen de forma anisotrópica ; 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. ^[27] 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. ^[28] 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 de la radiación , susceptibilidad al hermanamiento., pérdida de filtración y estabilidad a corto y largo plazo de los cristales. ^[29] Las semillas de diferentes cortes en diferentes orientaciones pueden proporcionar otros tipos de regiones de crecimiento. ^[30] La velocidad de crecimiento de la dirección −X es más lenta debido al efecto de la 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 más alto en S; el tamaño de las regiones S también crece con una mayor 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 más alto en -X. ^[31]Las inclusiones de aluminio se transforman en centros de color con irradiación de rayos gamma, provocando un oscurecimiento del cristal proporcional a la dosis y nivel de impurezas; la presencia de regiones con diferente oscuridad revela las diferentes regiones de crecimiento.

El tipo dominante de defecto de preocupación en los cristales de cuarzo es la sustitución de un Al (III) para un Si (IV) átomo en la red cristalina . El ion de aluminio tiene un compensador de carga intersticial asociado presente cerca, que puede ser un ion H + (unido al oxígeno cercano y formando un grupo hidroxilo , llamado defecto Al-OH), ion Li + , ion Na + , ion K + ( menos común), o un agujero de electronesatrapado en un 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 de compensación de carga para los defectos de aluminio. Las impurezas de iones son motivo de preocupación, ya que no están firmemente unidas y pueden migrar a través del cristal, alterando la elasticidad de la red local 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 el cuarzo magmático, menos común en el cuarzo hidrotermal), y germanio (IV) (sustitución). Los iones de sodio y hierro pueden causar inclusiones de acnita y elemeusitacristales. Las inclusiones de agua pueden estar presentes en cristales de crecimiento rápido; Las moléculas de agua intersticial abundan cerca de la semilla cristalina. Otro defecto de importancia 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 se originan como suministro de iones de hidrógeno para procesos inducidos por radiación y forman defectos de Al-OH. Las impurezas de germanio tienden a atrapar electrones creados durante la irradiación; los cationes de metales alcalinos luego migran hacia el centro cargado negativamente y forman un complejo estabilizador. También pueden presentarse defectos de la matriz; vacantes de oxígeno, vacantes de silicio (generalmente compensadas con 4 hidrógenos o 3 hidrógenos y un agujero), grupos peroxi, etc.Algunos de los defectos producen niveles localizados en la banda prohibida, que sirven como trampas de carga; Al (III) y B (III) suelen servir como trampas de huecos, mientras que los átomos de electrones, titanio, germanio y fósforo sirven como trampas de electrones. Los portadores de carga atrapados pueden liberarse mediante calentamiento; su recombinación es la causa determoluminiscencia .

La movilidad de los iones intersticiales depende en gran medida de la temperatura. Los iones de hidrógeno son móviles hasta 10 K, pero los iones de metales alcalinos se vuelven móviles solo a temperaturas de alrededor de 200 K. Los defectos de hidroxilo se pueden medir mediante espectroscopía de infrarrojo cercano. Los huecos atrapados se pueden medir mediante resonancia de espín de electrones . Los defectos de Al-Na ^{+ se} muestran como un pico de pérdida acústica debido a su movimiento inducido por estrés; los defectos de Al-Li ⁺ no forman un pozo potencial, por lo que no son detectables de esta manera. ^[32] Algunos de los defectos inducidos por la radiación durante su recocido térmico producen termoluminiscencia ; Se pueden distinguir los defectos relacionados con el aluminio, el titanio y el germanio. ^[33]

Los cristales barridos son cristales que se han sometido 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 el aire) o huecos de electrones (cuando se barre en el vacío) provoca una corriente eléctrica débil a través del cristal; la caída de esta corriente a un valor constante señala 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 luego se corta y se desecha. ^[34]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 radiaciones ionizantes, por ejemplo, para tecnología nuclear y espacial. ^{[35] El} barrido al vacío a temperaturas más altas y mayores intensidades de campo produce cristales aún más duros a la radiación. ^[36] El nivel y el carácter de las impurezas se pueden medir mediante espectroscopía infrarroja. ^[37]El cuarzo se puede barrer tanto en la fase α como en la β; el barrido en la fase β es más rápido, pero la transición de fase puede inducir el hermanamiento. El hermanamiento se puede mitigar sometiendo el cristal a un esfuerzo de compresión en la dirección X, o 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. ^[36]

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

Pueden fabricarse mediante fotolitografía cristales muy pequeños para altas frecuencias de modo fundamental. ^[26]

Los cristales se pueden ajustar a frecuencias exactas mediante recorte láser . Una técnica utilizada en el mundo de la radioafición para la leve disminución de la frecuencia del cristal se puede lograr exponiendo 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, tales cristales tenían una estabilidad a largo plazo problemática. Otro método comúnmente utilizado es el aumento o disminución electroquímica del espesor del electrodo de plata sumergiendo un resonador en lapislázuli disuelto en agua, ácido cítrico en agua o agua con sal, y usando 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.

El aumento de la frecuencia por el rascado de las partes de los electrodos no se recomienda ya que esto puede dañar el cristal y reducir su factor Q . Los potenciómetros de condensador también se pueden utilizar para ajustar la frecuencia del circuito del oscilador.

Otros materiales

Se pueden emplear otros materiales piezoeléctricos distintos 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 germanio , cerámica de titanato de circonio policristalino , cerámica de alto contenido de alúmina, compuesto de óxido de silicio y zinc o tartrato de dipotasio . ^{[38] [39]}Algunos materiales pueden ser más adecuados para aplicaciones específicas. También se puede fabricar un cristal oscilador depositando el material del resonador sobre la superficie del chip de silicio. ^{[40] Los} cristales de fosfato de galio , langasita , langanita y langatato son aproximadamente 10 veces más pulibles que los correspondientes cristales de cuarzo y se utilizan en algunos osciladores VCXO. ^[41]

Estabilidad

La estabilidad de frecuencia está determinada por la Q del cristal . Es inversamente dependiente de la frecuencia y de la constante que depende del corte particular. Otros factores que influyen en Q son el sobretono utilizado, la temperatura, el nivel de conducción del cristal, la calidad del acabado de la superficie, las tensiones mecánicas impuestas al cristal por la unión y el montaje, la geometría del cristal y los electrodos adjuntos, la pureza del material y defectos en el cristal, tipo y presión del gas en el recinto, modos de interferencia y presencia y dosis absorbida de radiación ionizante y neutrónica.

Temperatura

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

Los cristales tienden a sufrir anomalías en sus características de frecuencia / temperatura y resistencia / temperatura, conocidas como caídas de actividad. Se trata de pequeñas excursiones de frecuencia descendente o ascendente de resistencia localizadas a determinadas temperaturas, y su posición de temperatura depende del valor de los condensadores de carga.

Estrés mecánico

Las tensiones mecánicas también influyen en la frecuencia. Las tensiones pueden ser inducidas por el montaje, la unión y la aplicación de los electrodos, por la expansión térmica diferencial del montaje, los electrodos y el cristal mismo, por las tensiones térmicas diferenciales cuando hay un gradiente de temperatura presente, por la expansión o contracción de la unión. materiales durante el curado, por la presión del aire que se transfiere a la presión ambiental dentro del recinto de cristal, por las tensiones de la red cristalina en sí (crecimiento no uniforme, impurezas, dislocaciones), por las imperfecciones de la superficie y los daños causados ​​durante la fabricación, y por el acción de la gravedad sobre la masa del cristal; por tanto, la frecuencia puede verse influida por la posición del cristal. Otros factores dinámicos que inducen estrés son los golpes, las vibraciones y el ruido acústico.Algunos cortes son menos sensibles a las tensiones; el corte SC (estrés compensado) es un ejemplo. Los cambios de presión atmosférica también pueden introducir deformaciones en la carcasa, lo que influye 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 mediante la difusión de moléculas de agua en su estructura, alterando las constantes dieléctricas y la conductividad eléctrica . ^[42]

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

Envejecimiento

Los cristales experimentan un lento cambio gradual de frecuencia con el tiempo, conocido como envejecimiento. Hay muchos mecanismos involucrados. El montaje y los contactos pueden sufrir un alivio de las tensiones incorporadas. Las moléculas de contaminación ya sea de la atmósfera residual, desgasificadas del cristal, electrodos o materiales de empaque, o introducidas durante el sellado de la carcasa pueden adsorberse en la superficie del cristal, cambiando su masa; este efecto se aprovecha en microbalanzas de cristal de cuarzo. La composición del cristal puede alterarse gradualmente mediante la desgasificación, la difusión de átomos de impurezas o la migración de los electrodos, o la red puede dañarse por la radiación. Pueden producirse reacciones químicas lentas en el cristal o en las superficies internas del gabinete. 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 en el tiempo. La presión en el gabinete puede cambiar debido a variaciones de presión atmosférica, temperatura, fugas o desgasificación de los materiales en el interior. Los factores externos al cristal en sí son, por ejemplo, el envejecimiento de los circuitos del oscilador (y, por ejemplo, el cambio de capacitancias) y la deriva de los parámetros del horno de cristal. La composición de la atmósfera externa también puede influir en el envejecimiento; hidrógenopuede difundirse a través de la carcasa de níquel. El helio puede causar problemas similares cuando se difunde a través de recintos de vidrio de estándares de rubidio . ^[43]

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 con fuertes golpes mecánicos, pero lo suficientemente débil como para no soportar gradientes de deformación significativos (a diferencia del cromo, el aluminio y el níquel). El oro tampoco forma óxidos; adsorbe los contaminantes orgánicos del aire, pero estos son fáciles de eliminar. Sin embargo, el oro solo puede sufrir deslaminación; por lo tanto, a veces se usa 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 que aumentan la masa del cristal y disminuyen la frecuencia. La plata puede pasivarse por exposición a vapores de yodo , formando una capa de yoduro de plata.. El aluminio se oxida fácil pero lentamente, hasta que se alcanza un espesor de aproximadamente 5 nm; el aumento de temperatura durante el envejecimiento artificial no aumenta significativamente la velocidad de formación de óxido; se puede formar una capa gruesa de óxido durante la fabricación mediante anodización . ^{[44] La} exposición de cristal plateado a vapores de yodo también se puede utilizar en condiciones de aficionados para reducir ligeramente la frecuencia del cristal; la frecuencia también se puede aumentar raspando partes de los electrodos, pero eso conlleva el riesgo de dañar el cristal y perder Q.

Una polarización de voltaje de CC entre los electrodos puede acelerar el envejecimiento inicial, probablemente por la difusión inducida de impurezas a través del cristal. Colocar un capacitor en serie con el cristal y una resistencia de varios megaohmios en paralelo puede minimizar tales voltajes.

Daño mecánico

Los cristales son sensibles a los golpes . La tensión mecánica provoca un cambio a corto plazo en la frecuencia del oscilador debido a la sensibilidad a la tensión del cristal, y puede introducir un cambio permanente de frecuencia debido a cambios de montaje y tensiones internas inducidos por golpes (si los límites elásticos de la mecánica se superan las partes), desorción de la contaminación de las superficies del cristal o cambio en los parámetros del circuito del oscilador. Los choques de gran magnitud pueden arrancar los cristales de sus montajes (especialmente en el caso de cristales grandes de baja frecuencia suspendidos en alambres delgados) o provocar el agrietamiento del cristal. Los cristales libres de imperfecciones superficiales son muy resistentes a los golpes; el pulido químico puede producir cristales capaces de sobrevivir a decenas de miles de g .^[45]

Fluctuaciones de frecuencia

Los cristales también sufren pequeñas fluctuaciones de frecuencia a corto plazo. Las principales causas de dicho ruido son, por ejemplo, ruido térmico (que limita el piso de ruido), dispersión de fonones (influenciada por defectos de la red), adsorción / desorción de moléculas en la superficie del cristal, ruido de los circuitos del oscilador, golpes y vibraciones mecánicas, cambios de aceleración y orientación, fluctuaciones de temperatura y alivio de tensiones mecánicas. La estabilidad a corto plazo se mide mediante cuatro parámetros principales: Varianza de Allan(el más común especificado en las hojas de datos del oscilador), ruido de fase, densidad espectral de desviaciones de fase y densidad espectral de desviaciones de frecuencia fraccionarias. Los efectos de la aceleración y la vibración tienden a dominar las otras fuentes de ruido; Los dispositivos de ondas acústicas de superficie tienden a ser más sensibles que los de ondas acústicas masivas (BAW), y los cortes compensados ​​por tensión son incluso menos sensibles. La orientación relativa del vector de aceleración al cristal influye drásticamente en la sensibilidad a la vibración del cristal. Los montajes mecánicos de aislamiento de vibraciones se pueden utilizar para cristales de alta estabilidad.

El ruido de fase juega un papel importante en los sistemas de síntesis de frecuencias que utilizan la multiplicación de frecuencias; una multiplicación de una frecuencia por N aumenta la potencia de ruido de fase en N ² . Una multiplicación de frecuencia por 10 veces multiplica la magnitud del error de fase por 10 veces. Esto puede ser desastroso para los sistemas que emplean tecnologías PLL o FSK .

Daño por radiación

Los cristales son algo sensibles al daño por radiación . El cuarzo natural es mucho más sensible que los cristales cultivados artificialmente, y la sensibilidad se puede reducir aún más barriendo el cristal, calentando el cristal a al menos 400 ° C en una atmósfera libre de hidrógeno en un campo eléctrico de al menos 500 V / cm durante al menos por lo menos 12 horas. Estos cristales barridos tienen una respuesta muy baja a la radiación ionizante constante. Algunos átomos de Si (IV) se reemplazan con impurezas de Al (III) , cada una con una compensación Li + o Na +catión cercano. La ionización produce pares de agujeros de electrones; los agujeros quedan atrapados en la red cerca del átomo de Al, los átomos de Li y Na resultantes quedan atrapados libremente a lo largo del eje Z; el cambio de la red cerca del átomo de Al y la constante elástica correspondiente provoca entonces un cambio correspondiente en la frecuencia. El barrido elimina los iones Li ⁺ y Na ⁺ de la red, reduciendo este efecto. El sitio Al ³⁺ también puede atrapar átomos de hidrógeno. Todos los cristales tienen un cambio de frecuencia negativo transitorio después de la exposición a rayos Xlegumbres; la frecuencia luego cambia gradualmente hacia atrás; El cuarzo natural alcanza una frecuencia estable después de 10 a 1000 segundos, con un desplazamiento negativo de la frecuencia de preirradiación, los cristales artificiales vuelven a una frecuencia ligeramente más baja o más alta que la de la preirradiación, los cristales barridos se recocen virtualmente de nuevo a la frecuencia original. El recocido es más rápido a temperaturas más altas. El barrido al vacío a temperaturas y campos más altos puede reducir aún más la respuesta del cristal a los pulsos de rayos X. ^[36]La resistencia en serie de los cristales no barridos aumenta después de una dosis de rayos X y vuelve a recocerse a un valor algo más alto para un cuarzo natural (lo que requiere una reserva de ganancia correspondiente en el circuito) y vuelve al valor de preirradiación para los cristales sintéticos. La resistencia en serie de los cristales barridos no se ve afectada. El aumento de la resistencia en serie degrada Q; un aumento demasiado alto puede detener las oscilaciones. La radiación de neutrones induce cambios de frecuencia al introducir dislocaciones en la red al eliminar átomos; un solo neutrón rápido puede producir muchos defectos; la frecuencia de corte de SC y AT aumenta aproximadamente de forma lineal con la dosis de neutrones absorbidos, mientras que la frecuencia de los cortes de BT disminuye. ^[46]Los neutrones también alteran las características de temperatura-frecuencia. El cambio de frecuencia con dosis bajas de radiación ionizante es proporcionalmente mayor que con dosis más altas. La radiación de alta intensidad puede detener el oscilador induciendo fotoconductividad en el cristal y los transistores; con un cristal barrido y un circuito correctamente diseñado, las oscilaciones pueden reiniciarse dentro de los 15 microsegundos después de la explosión de radiación. Los cristales de cuarzo con altos niveles de impurezas de metales alcalinos pierden Q con la irradiación; La Q de los cristales artificiales barridos no se ve afectada. Irradiación con dosis más altas (más de 10 ⁵rad) reduce la sensibilidad a las dosis posteriores. Las dosis de radiación muy bajas (por debajo de 300 rad) tienen un efecto desproporcionadamente mayor, pero esta no linealidad se satura a dosis más altas. En dosis muy altas, la respuesta a la radiación del cristal también se satura, debido al número finito de sitios de impurezas que pueden verse afectados. ^[35]

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.

Después del encendido, los cristales tardan de varios segundos a minutos en "calentarse" y estabilizar su frecuencia. Los OCXO controlados por horno requieren generalmente de 3 a 10 minutos para calentarse para alcanzar el equilibrio térmico; los osciladores sin horno se estabilizan en varios segundos, ya que los pocos milivatios disipados en el cristal provocan un nivel pequeño pero notable de calentamiento interno. ^[47]

Los cristales no tienen mecanismos de falla inherentes; algunos han operado en dispositivos durante décadas. Sin embargo, las fallas pueden ser provocadas por fallas en la unión, cerramientos con fugas, corrosión, cambio de frecuencia por envejecimiento, rotura del cristal por choque mecánico demasiado alto o daño inducido por radiación cuando se usa cuarzo no barrido. ^{[48] ​​Los} cristales también pueden dañarse por sobremarcha.

Los cristales deben conducirse al nivel de conducción adecuado. Si bien los cortes AT tienden a ser bastante indulgentes, ya que solo sus parámetros eléctricos, la estabilidad y las características de envejecimiento se degradan cuando se sobreexcitan, los cristales de baja frecuencia, especialmente los de modo de flexión, pueden fracturarse a niveles de activación demasiado altos. El nivel de excitación se especifica como la cantidad de energía disipada en el cristal. Los niveles de excitación apropiados son aproximadamente 5 μW para modos de flexión 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 sobretonos de 20 a 200 MHz. ^[49]Un nivel de transmisión demasiado bajo puede causar problemas al iniciar el oscilador. Los niveles de conducción bajos son mejores para una mayor estabilidad y un menor consumo de energía del oscilador. Los niveles de conducción más altos, a su vez, reducen el impacto del ruido al aumentar la relación señal / ruido . ^[50]

La estabilidad de los cristales de corte AT disminuye con una frecuencia creciente. Para obtener frecuencias más altas más precisas, es mejor usar un cristal con una frecuencia fundamental más baja, que funcione con un sobretono.

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

Un circuito oscilador mal diseñado puede comenzar a oscilar repentinamente en un sobretono . En 1972, un tren en Fremont, California se estrelló debido a un oscilador defectuoso. Un valor inapropiado del capacitor del tanque hizo que el cristal en un tablero de control se sobrecargara, saltara a un tono y provocara que el tren acelerara en lugar de desacelerar. ^[51]

Cortes de cristal

La placa del resonador se puede cortar del cristal fuente de muchas formas diferentes. La orientación del corte influye en las características de envejecimiento del cristal, la estabilidad de frecuencia, las características térmicas y otros parámetros. Estos cortes operan en ondas acústicas masivas (BAW); para frecuencias más altas, se emplean dispositivos de ondas acústicas de superficie (SAW).

Imagen de varios cortes de cristal ^[52]

Cortar	Rango de frecuencia	Modo	Anglos	Descripción
A	0,5–300 MHz	cizallamiento de espesor (modo c, cuasi cizallamiento lento)	35 ° 15 ', 0 ° (<25 MHz) 35 ° 18', 0 ° (> 10 MHz)	El corte más común, desarrollado en 1934. La placa contiene el eje x del cristal y está inclinada 35 ° 15 'desde el eje z (óptico). La curva de frecuencia-temperatura es una curva en forma de seno con un punto de inflexión en torno a los 25–35 ° C. Tiene una frecuencia constante de 1.661 MHz⋅mm. [53] La mayoría (estimado en más del 90%) de todos los cristales son esta variante. [54] Se utiliza para osciladores que operan en un rango de temperatura más amplio, para un rango de 0,5 a 200 MHz; también se utiliza en osciladores controlados por horno. [55] Sensible a tensiones mecánicas, ya sean causadas por fuerzas externas o por gradientes de temperatura. Los cristales de espesor-cizallamiento normalmente operan en modo fundamental a 1–30 MHz, el tercer sobretono a 30–90 MHz y el quinto sobretono a 90–150 MHz; [56]de acuerdo con otra fuente, se pueden hacer para operación en modo fundamental hasta 300 MHz, aunque ese modo generalmente se usa solo a 100 MHz [57] y de acuerdo con otra fuente, el límite superior para la frecuencia fundamental del corte AT está limitado a 40 MHz para espacios en blanco de pequeño diámetro. [53] Puede fabricarse como un disco redondo convencional o como un resonador de banda; este último permite un tamaño mucho menor. El grosor del blanco de cuarzo es de aproximadamente (1,661 mm) / (frecuencia en MHz), con la frecuencia algo desplazada por el procesamiento posterior. [58]El tercer sobretono es aproximadamente 3 veces la frecuencia fundamental; los sobretonos son más altos que el múltiplo equivalente de la frecuencia fundamental en aproximadamente 25 kHz por sobretono. Los cristales diseñados para operar en modos de sobretonos deben procesarse especialmente para el paralelismo plano y el acabado de la superficie para obtener el mejor rendimiento a una frecuencia de sobretonos determinada. [49]
CAROLINA DEL SUR	0,5-200 MHz	cizalla de espesor	35 ° 15 ', 21 ° 54'	Un corte especial (Stress Compensated) desarrollado en 1974, es un corte de doble rotación (35 ° 15 'y 21 ° 54') para osciladores estabilizados en horno con bajo ruido de fase y buenas características de envejecimiento. Menos sensible a las tensiones mecánicas. Tiene una velocidad de calentamiento más rápida, Q más alta, mejor ruido de fase de acercamiento, menos sensibilidad a la orientación espacial contra el vector de gravedad y menos sensibilidad a las vibraciones. [59]Su constante de frecuencia es 1.797 MHz⋅mm. Los modos acoplados son peores que el corte AT, la resistencia tiende a ser mayor; se requiere mucho más cuidado para convertir entre sobretonos. Opera a las mismas frecuencias que el corte AT. La curva de frecuencia-temperatura es una parábola descendente de tercer orden con un punto de inflexión a 95 ° C y una sensibilidad a la temperatura mucho más baja que el corte AT. Adecuado para OCXO en, por ejemplo, sistemas espaciales y GPS. Menos disponible que el corte AT, más difícil de fabricar; la mejora de los parámetros en un orden de magnitud se intercambia por unas tolerancias de orientación de cristal más estrictas en un orden de magnitud. [60]Las características de envejecimiento son de 2 a 3 veces mejores que las de los cortes AT. Menos sensible a los niveles de conducción. Muchas menos caídas de actividad. Menos sensible a la geometría de la placa. Requiere un horno, no funciona bien a temperatura ambiente ya que la frecuencia cae rápidamente a temperaturas más bajas. Tiene una capacitancia de movimiento varias veces menor que el corte AT correspondiente, lo que reduce la posibilidad de ajustar la frecuencia del cristal mediante el condensador adjunto; esto restringe el uso en dispositivos TCXO y VCXO convencionales, y otras aplicaciones donde la frecuencia del cristal tiene que ser ajustable. [61] [62]Los coeficientes de temperatura para la frecuencia fundamental son diferentes a los de su tercer sobretono; cuando el cristal se hace funcionar en ambas frecuencias simultáneamente, la frecuencia de batido resultante se puede utilizar para la detección de temperatura en, por ejemplo, osciladores de cristal compensados ​​por microordenador. Sensible a los campos eléctricos. Sensible a la amortiguación del aire, para obtener un Q óptimo hay que envasar al vacío. [44] El coeficiente de temperatura para el modo b es de -25 ppm / ° C, para el modo dual de 80 a más de 100 ppm / ° C. [63]
BT	0,5-200 MHz	cizallamiento de espesor (modo b, cuasi cizallamiento rápido)	−49 ° 8 ', 0 °	Un corte especial, similar al corte AT, excepto que la placa se corta a 49 ° del eje z. Funciona en modo de corte de espesor, en modo b (cuasi-corte rápido). Tiene características bien conocidas y repetibles. [64] Tiene una frecuencia constante de 2.536 MHz⋅mm. Tiene peores características de temperatura que el corte AT. Debido a la constante de frecuencia más alta, se puede utilizar para cristales con frecuencias más altas que el corte AT, hasta más de 50 MHz. [53]
ESO		cizalla de espesor		Un corte especial, es un corte de doble rotación con características mejoradas para osciladores estabilizados al horno. Opera en modo de corte de espesor. La curva de frecuencia-temperatura es una parábola descendente de tercer orden con un punto de inflexión a 78 ° C. Raramente usado. Tiene un rendimiento y propiedades similares al corte SC, más adecuado para temperaturas más altas.
FC		cizalla de espesor		Un corte especial, un corte de doble rotación con características mejoradas para osciladores estabilizados al horno. Opera en modo de corte de espesor. La curva de frecuencia-temperatura es una parábola descendente de tercer orden con un punto de inflexión a 52 ° C. Raramente usado. Empleado en osciladores controlados por horno; el horno se puede configurar a una temperatura más baja que para los cortes AT / IT / SC, al inicio de la parte plana de la curva temperatura-frecuencia (que también es más ancha que los otros cortes); cuando la temperatura ambiente alcanza esta región, el horno se apaga y el cristal funciona a la temperatura ambiente, manteniendo una precisión razonable. Por lo tanto, este corte combina la característica de ahorro de energía de permitir una temperatura del horno relativamente baja con una estabilidad razonable a temperaturas ambiente más altas. [sesenta y cinco]
Alaska		cizalla de espesor		un corte de doble rotación con mejores características de temperatura-frecuencia que los cortes AT y BT y con mayor tolerancia a la orientación cristalográfica que los cortes AT, BT y SC (por factor 50 frente a un corte AT estándar, según los cálculos). Opera en modo de corte de espesor. [60]
Connecticut	300–900 kHz	cizalla facial	38 °, 0 °	La curva de frecuencia-temperatura es una parábola descendente.
DT	75–800 kHz	cizalla facial	−52 °, 0 °	Similar al corte CT. La curva de frecuencia-temperatura es una parábola descendente. El coeficiente de temperatura es menor que el corte CT; donde el rango de frecuencia lo permite, se prefiere DT a CT. [53]
SL		corte de cara	−57 °, 0 °
GT	0,1–3 MHz	ancho-extensional	51 ° 7 '	Su coeficiente de temperatura entre −25 .. + 75 ° C es cercano a cero, debido al efecto de cancelación entre dos modos. [53]
E , 5 ° X	50–250 kHz	longitudal		Tiene un coeficiente de temperatura razonablemente bajo, ampliamente utilizado para filtros de cristal de baja frecuencia. [53]
MONTE	40-200 kHz	longitudal
ET			66 ° 30 '
PIE			−57 °
Nuevo Testamento	8-130 kHz	flexión de largo-ancho (flexión)
XY , diapasón	3-85 kHz	flexión de largo-ancho		El cristal dominante de baja frecuencia, ya que es más pequeño que otros cortes de baja frecuencia, es menos costoso, tiene baja impedancia y una baja relación Co / C1. La aplicación principal es el cristal RTC de 32,768 kHz. Su segundo sobretono es aproximadamente seis veces la frecuencia fundamental. [49]
H	8-130 kHz	flexión de largo-ancho		Se utiliza ampliamente para filtros de banda ancha. El coeficiente de temperatura es lineal.
J	1–12 kHz	flexión longitud-espesor		El corte en J está hecho de dos placas de cuarzo unidas entre sí, seleccionadas para producir un movimiento fuera de fase para un campo eléctrico dado.
RT				Un corte de doble rotación.
SBTC				Un corte de doble rotación.
TS				Un corte de doble rotación.
X 30 °				Un corte de doble rotación.
LC		cizalla de espesor	11,17 ° / 9,39 °	Un corte de doble rotación ("Coeficiente lineal") con una respuesta lineal de temperatura-frecuencia; se puede utilizar como sensor en termómetros de cristal. [66] El coeficiente de temperatura es 35,4 ppm / ° C. [63]
C.A.			31 °	Sensible a la temperatura, se puede utilizar como sensor. Modo único con características de temperatura-frecuencia pronunciadas. [67] El coeficiente de temperatura es de 20 ppm / ° C. [63]
antes de Cristo			−60 °	Sensible a la temperatura. [67]
NLSC				Sensible a la temperatura. [67] El coeficiente de temperatura es de aproximadamente 14 ppm / ° C. [63]
Y				Sensible a la temperatura, se puede utilizar como sensor. Modo único con características de temperatura-frecuencia pronunciadas. [67] El plano de la placa es perpendicular al eje Y del cristal. [68] También llamado paralelo o 30 grados . El coeficiente de temperatura es de aproximadamente 90 ppm / ° C. [63]
X				Utilizado en uno de los primeros osciladores de cristal en 1921 por WG Cady, y como oscilador de 50 kHz en el primer reloj de cristal de Horton y Marrison en 1927. [69] El plano de la placa es perpendicular al eje X del cristal. También se llama perpendicular , normal , Curie , de ángulo cero o ultrasónico . [70]

La T en el nombre del corte marca un corte con compensación de temperatura, un corte orientado de manera que los coeficientes de temperatura de la celosía sean mínimos; los cortes FC y SC también están compensados ​​por temperatura.

Los cortes de alta frecuencia se montan por sus bordes, generalmente en resortes; la rigidez del resorte debe ser óptima, ya que si fuera demasiado rígido, los golpes mecánicos podrían transferirse al cristal y hacer que se rompa, y muy poca rigidez puede permitir que el cristal choque con el interior del paquete cuando se somete a un choque mecánico y romperse. Los resonadores de banda, generalmente cortes AT, son más pequeños y, por lo tanto, menos sensibles a los golpes mecánicos. A la misma frecuencia y sobretono, la tira tiene menos capacidad de tracción, mayor resistencia y mayor coeficiente de temperatura. ^[71]

Los cortes de baja frecuencia se montan en los nodos donde están prácticamente inmóviles; Los alambres delgados se unen en esos puntos a cada lado entre el cristal y los cables. La gran masa del cristal suspendida en los cables delgados hace que el conjunto sea sensible a golpes mecánicos y vibraciones. ^[53]

Los cristales generalmente se montan en cajas de vidrio o metal herméticamente selladas, llenas de una atmósfera seca e inerte, generalmente de vacío, nitrógeno o helio. También se pueden usar carcasas de plástico, pero no son herméticas y se debe construir otro sellado secundario alrededor del cristal.

Son posibles varias configuraciones de resonador, además de la forma clásica de unir cables directamente al cristal. Por ejemplo, el resonador BVA (Boîtier à Vieillissement Amélioré, Recinto con envejecimiento mejorado) ^[72] desarrollado en 1976; Las partes que influyen en las vibraciones se mecanizan a partir de un monocristal (lo que reduce la tensión de montaje) y los electrodos se depositan no en el resonador en sí, sino en los lados internos de dos discos condensadores hechos de rodajas adyacentes de cuarzo de la misma barra. , formando un sándwich de tres capas sin tensión entre los electrodos y el elemento vibratorio. El espacio entre los electrodos y el resonador actúa como dos condensadores en serie pequeña, lo que hace que el cristal sea menos sensible a las influencias del circuito. ^[73]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 de los electrodos a la red del elemento vibrante. ^[74] La configuración resultante es robusta, resistente a golpes y vibraciones, resistente a la aceleración y la radiación ionizante, y tiene características de envejecimiento mejoradas. Normalmente se utiliza el corte AT, aunque también existen variantes de corte SC. Los resonadores BVA se utilizan a menudo en aplicaciones de naves espaciales. ^[75]

En las décadas de 1930 a 1950, era bastante común que las personas ajustaran la frecuencia de los cristales mediante molienda manual. Los cristales se trituraron utilizando una suspensión fina y abrasiva, o incluso una pasta de dientes, para aumentar su frecuencia. Una ligera disminución de 1 a 2 kHz cuando el cristal estaba sobre el suelo fue posible marcando la cara del cristal con una mina de lápiz, a costa de una Q más baja. ^[76]

La frecuencia del cristal es ligeramente ajustable ("pulsable") modificando las capacitancias adjuntas. Un varactor , un diodo con capacitancia que depende del voltaje aplicado, se usa a menudo en osciladores de cristal controlados por voltaje, VCXO. Los cortes de cristal suelen ser AT o rara vez SC, y operan en modo fundamental; la cantidad de desviación de frecuencia disponible es inversamente proporcional al cuadrado del número de sobretono, por lo que un tercer sobretono tiene solo una novena parte de la capacidad de tracción del modo fundamental. Los cortes SC, aunque más estables, son significativamente menos extraíbles. ^[77]

Abreviaturas y notaciones de circuitos

En los diagramas esquemáticos eléctricos, los cristales se designan con la letra de clase Y (Y1, Y2, etc.). Los osciladores, ya sean de cristal u otros, se designan con la letra de clase G (G1, G2, etc.). ^{[78] [79] Los} cristales también se pueden designar en un esquema con X o XTAL , o un oscilador de cristal con XO .

Tipos de oscilador de cristal y sus abreviaturas:

• ATCXO - Oscilador de cristal analógico controlado por temperatura
• CDXO - Oscilador de cristal dual calibrado
• DTCXO - Oscilador de cristal con compensación de temperatura digital
• EMXO - Oscilador de cristal en miniatura evacuado
• GPSDO - Oscilador disciplinado del sistema de posicionamiento global
• MCXO - microordenador oscilador de cristal -compensated
• OCVCXO - oscilador de cristal controlado por voltaje controlado por horno
• OCXO - Oscilador de cristal controlado por horno
• RbXO : osciladores de cristal de rubidio (RbXO), un oscilador de cristal (puede ser un MCXO) sincronizado con un estándar de rubidio incorporado que se ejecuta solo ocasionalmente para ahorrar energía
• TCVCXO - Oscilador de cristal controlado por voltaje con compensación de temperatura
• TCXO : oscilador de cristal con compensación de temperatura
• TMXO - Oscilador de cristal en miniatura táctico ^[69]
• TSXO : oscilador de cristal con sensor de temperatura, una adaptación del TCXO
• VCTCXO - Oscilador de cristal compensado por temperatura controlado por voltaje
• VCXO - Oscilador de cristal controlado por voltaje

Ver también

• Generador de reloj
• Desviación del reloj: las mediciones de la desviación del reloj de los osciladores de cristal se pueden utilizar para construir generadores de números aleatorios .
• Filtro de cristal
• Erhard Kietz trabaja en diapasones electrónicos y con cristales de cuarzo para obtener frecuencias de señal precisas.
• Issac Koga : inventor del corte R1 Koga de temperatura estable
• Perforar oscilador
• Microbalanza de cristal de cuarzo que utiliza osciladores de cristal para pesar cantidades extremadamente pequeñas.
• Monitor de espesor de película fina
• VFO - oscilador de frecuencia variable

Referencias

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Lectura adicional

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Enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con osciladores de cristal .

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• Distorsiones en osciladores de cristal
• Osciladores y resonadores de cristal de cuarzo
• Resumen de varias páginas de los cristales de cuarzo y sus osciladores, filtros, etc.