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