¿Qué es un Osciladores de cristal?
Un oscilador de cristal es un dispositivo que incorpora un circuito de oscilación en la resonancia mecánica de una unidad de cristal de cuarzo (cuarzo) utilizando el fenómeno piezoeléctrico del cuarzo para producir una frecuencia constante.
Los circuitos de oscilación distintos del cuarzo incluyen la oscilación LC, la oscilación CR y la oscilación mediante elementos cerámicos. La oscilación por cristal es superior en el sentido de que puede alcanzar una gran precisión del orden de ppm (es posible un estricto control de calidad, no permitiéndose más de un defecto por millón de piezas), mientras que otros tipos de oscilación se limitan a circuitos que pueden tolerar una precisión del %.
La razón por la que el cuarzo puede utilizarse como elemento de circuito electrónico es su efecto piezoeléctrico. El cuarzo ya se utilizaba como elemento en el siglo XIX, mucho antes de la invención de los transistores y los circuitos integrados.
Usos de los Osciladores de cristal
Los osciladores de cristal, basados en la vibración de un cristal de cuarzo, se han utilizado como fuente de señal de frecuencia en equipos de telecomunicaciones, como fuente de temporización en relojes (de cuarzo) y como fuente de señal de ráfaga de color en televisión. En los últimos años, se utilizan en gran número como fuentes de reloj de frecuencia fija en circuitos digitales.
Las señales de referencia de reloj son esenciales para los circuitos integrados y los LSI (circuitos integrados que contienen circuitos más integrados y complejos que los circuitos integrados), y los osciladores de cristal proporcionan la estabilidad de alta frecuencia, la no ajustabilidad y la miniaturización necesarias para la generación de relojes.
Por ello, los osciladores de cristal se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, no sólo en equipos convencionales de telecomunicaciones, televisores y relojes, sino también en comunicaciones por satélite, automóviles, ordenadores personales, equipos de DVD y otros aparatos informáticos.
Principio de los Osciladores de cristal
Un oscilador de cristal es un dispositivo que utiliza un resonador llamado unidad de cristal (cuarzo) como resonancia de referencia y genera una señal que sirve como frecuencia de referencia utilizando un circuito de oscilación. Las unidades de cristal de cuarzo utilizan el fenómeno piezoeléctrico del cuarzo, pero una unidad de cristal de cuarzo por sí sola no puede mantener la amplitud necesaria de la frecuencia de resonancia.
En un Osciladores de cristal, por lo tanto, se añade un circuito de oscilación interno adicional y la frecuencia de resonancia del resonador se utiliza para controlar la intensidad y la frecuencia de la señal de frecuencia de referencia. Este es el principio de funcionamiento de los Osciladores de cristal. El cuarzo está hecho de cuarzo (Sio2: dióxido de silicio), pero el material utilizado en los Osciladores de cristal es el cuarzo artificial. El cristal de cuarzo artificial se fabrica a partir de un cristal natural llamado Raska.
El Raska se introduce en un horno (autoclave) lleno de una solución alcalina, se funde a altas temperaturas y presiones, y las temperaturas controladas generan corrientes de convección naturales para producir grandes cristales artificiales recristalizados de gran pureza. A continuación, los cristales se cortan en finas láminas y se convierten en Osciladores de cristal.
Más información sobre Osciladores de cristal.
1. modos de vibración de los osciladores de cristal de cuarzo
Dependiendo del ángulo con el que se corte el cristal en relación con el eje del mismo, variarán las características de temperatura de la frecuencia, el modo de vibración, etc., siendo la más común la banda de MHz, de la que el cristal “cortado AT” tiene un amplio rango de temperatura y una pequeña desviación.
Por ejemplo, si se utiliza un cristal en un reloj de pulsera, se corta a una temperatura cercana a la temperatura corporal o a la temperatura ambiente, y se utiliza el ángulo en el que el coeficiente de temperatura es cero.
El modo de oscilación se refiere a la forma de vibración mecánica del cristal, también conocida como “vibración de espesor-deslizamiento” del corte AT, que es similar a la vibración del tofu en una tabla de cortar cuando se agita. Así pues, la frecuencia de oscilación viene determinada por el grosor del recorte.
2. precisión de los Osciladores de cristal
La precisión de un Osciladores de cristal normal es de 1/10.000 a 1/100.000 aproximadamente. En comparación con otros osciladores, esta precisión es aproximadamente 1.000 veces superior a la de los osciladores de silicio y aproximadamente 100 veces superior a la de los osciladores de cerámica, que son más precisos que los osciladores de silicio y cerámica, pero no tan precisos como los osciladores de cesio utilizados en los relojes atómicos.
También existen osciladores de cristal de mayor precisión, del tipo osciladores de cristal de temperatura garantizada (TCXO). Este tipo de producto incorpora un circuito denominado circuito de temperatura garantizada. El circuito de garantía de temperatura anula las características de temperatura de la unidad de cristal y, al incorporar este circuito, garantiza un rendimiento estable en un intervalo de temperaturas más amplio. 3.
3. Osciladores de cristal – mecanismo de relojería
Los relojes osciladores de cristal, o relojes de cuarzo, funcionan como relojes convirtiendo las oscilaciones de alta precisión producidas por un oscilador de cristal en frecuencias a intervalos de un segundo mediante un circuito integrado que divide la frecuencia. Los relojes analógicos (con agujas) utilizan esta frecuencia a intervalos de un segundo para accionar un motor paso a paso que mueve el segundero, el minutero y la aguja horaria. Los relojes digitales, por su parte, utilizan de forma similar la frecuencia a intervalos de un segundo producida por un Osciladores de cristal para accionar el panel de cristal líquido y mostrar los números.
La ventaja de los relojes de cuarzo sobre los mecánicos no es sólo su mayor precisión horaria. El hecho de que puedan funcionar con pilas significa que pueden funcionar durante mucho tiempo sin mantenimiento. E incluso si la pila se agota, puede sustituirse y el reloj seguirá funcionando con la misma precisión que antes.
También existen en el mercado relojes de cuarzo que no requieren cambio de pila, como los alimentados por energía solar o por generador, que pueden seguir funcionando durante más tiempo.
4. comparación con los osciladores MEMS
La historia de los Osciladores de cristal se extendió rápidamente después de que los fabricantes de relojes japoneses crearan los relojes de cuarzo en los años 50, y hoy en día se utilizan ampliamente en equipos de telecomunicaciones, televisión y aparatos informáticos. Recientemente, sin embargo, los osciladores denominados MEMS (sistemas microelectromecánicos) han llamado la atención por su miniaturización, precio y rendimiento.
Los osciladores MEMS utilizan un proceso de fabricación basado en el de los semiconductores, lo que facilita su integración en circuitos electrónicos y los hace aptos para la miniaturización. También se dispone de algunos productos que presentan ventajas en cuanto a características, como la facilidad de ajuste de la frecuencia y el consumo de energía, y existe la posibilidad de que futuras mejoras les permitan superar a los osciladores de cristal en cuanto a cuota de mercado.
5. esfuerzos para lograr frecuencias más altas
Con la reciente expansión del volumen de comunicación de información, las frecuencias manejadas por los dispositivos para información y comunicación están aumentando con la generación de comunicación, debido a la necesidad de un ancho de banda de modulación más amplio para la comunicación y frecuencias de reloj más rápidas para ser manejadas. Por lo tanto, los Osciladores de cristal para la generación de frecuencias de referencia son naturalmente también requeridos para soportar frecuencias más altas.
Con los avances en la tecnología de circuitos analógicos, como los PLL, es posible aumentar la frecuencia desde el lado del circuito hasta cierto punto. Sin embargo, esto dará lugar a problemas como el ruido de fase y las características de temperatura, por lo que para elevar la frecuencia de oscilación del oscilador de cristal de referencia, actualmente se están lanzando productos que soportan una alta frecuencia de 100 MHz mediante la mejora de la propia unidad de cristal y el circuito de oscilación para soportar altas frecuencias.