El oscilador de cristal ha experimentado tremendos avances desde su creación. Ha ganado la capacidad de operar con un consumo mínimo de energía y ha desarrollado soluciones para el problema del envejecimiento. Ahora se utiliza ampliamente en varias industrias, incluyendo satélites, radar, comunicaciones inalámbricas y navegación.
Los osciladores de cristal son componentes fundamentales en electrónica que proporcionan relojes de referencia precisos y fiables para su uso en una amplia gama de aplicaciones. Estos osciladores de cristal son la elección principal cuando se requiere un alto nivel de estabilidad, como en circuitos digitales y otras aplicaciones de comunicación inalámbrica, como transceptores de radiofrecuencia.
El factor de calidad, a menudo conocido como factor Q, es el parámetro más importante que determina el rendimiento de un oscilador de cristal. Los cristales empleados en los oscilador tienen un factor de calidad extremadamente alto, generalmente en el rango de 10,000 a 100,000. Además, algunos cristales tienen un factor de calidad aún más alto.
Composición
Algunos cristales naturales con cualidades piezoeléctricas son la sal de Rochelle, el cuarzo y la turmalina. Entre estos, los cristales de cuarzo se utilizan con más frecuencia para fabricar osciladores de cristal debido a su estabilidad, propiedades piezoeléctricas aceptables, fácil accesibilidad y bajo costo. A pesar de tener la propiedad piezoeléctrica más alta, la sal de Rochelle no se usa ampliamente debido a su pobre resistencia mecánica. Aunque las turmalinas tienen una estructura más fuerte, rara vez se utilizan debido a sus pobres propiedades piezoeléctricas.
El componente principal utilizado en el resonador mecánico del oscilador de cristal es el cuarzo cristalino. Los beneficios de los osciladores de cristal de cuarzo son su gran selectividad debido a sus factores Q extremadamente altos y una señal de salida extremadamente estable a lo largo del tiempo y la temperatura.
Este cuarzo cristalino exhibe propiedades ópticas anisotrópicas, y a través de diferentes técnicas de corte en orientaciones específicas, puede producir una variedad de formas y vibraciones. Los cortes AT y SC son los más frecuentemente utilizados. En comparación con los chips de corte SC, el chip de corte AT es más fácil de producir, más pequeño y tiene una mejor estabilidad de frecuencia en un amplio rango de temperatura. En un oscilador de cristal, una delgada rebanada de cristal de cuarzo se coloca entre dos electrodos metalizados para el contacto eléctrico, como se representa simbólicamente en la Fig. 1
Figura 1: Símbolo de un Cristal de Cuarzo
Principio de funcionamiento
El principio de funcionamiento del oscilador de cristal es el efecto piezoeléctrico inverso. Cuando se aplica una señal de CA de una frecuencia particular, el material piezoeléctrico vibra a esa misma frecuencia. Este fenómeno, en el que el cristal cambia de energía eléctrica a vibración mecánica y viceversa, se llama efecto piezoeléctrico inverso. Estas vibraciones son amplificadas y enviadas de vuelta por el circuito de oscilación, que produce oscilaciones autosostenidas a la frecuencia de resonancia del cristal.
Modelo equivalente de un oscilador de cristal
En la figura 2 se presenta el modelo equivalente del oscilador de cristal.
Figura 2: Modelo eléctrico equivalente del cristal de cuarzo
- Inductancia motriz (L): Indica la masa mecánica del cristal de cuarzo vibrante, que depende del grosor del material de cuarzo.
- Capacitancia motriz (C1): Indica la elasticidad del material de cuarzo, que depende principalmente del área del electrodo y el grosor del material.
- Resistencia motriz (R): Esta es la pérdida resistiva real que ocurre en el cristal y depende de la frecuencia del cristal.
- Capacitancia de derivación (Co): Indica la capacitancia entre las placas de los electrodos cuando no está vibrando.
Aplicaciones
Se encuentran amplias aplicaciones en sistemas de telecomunicaciones, transmisores de radio y dispositivos celulares. Además, tienen un uso práctico extenso en dispositivos médicos, varios instrumentos de medición y electrodomésticos. Se emplean en módulos de reloj en tiempo real en computadoras para proporcionar señales de reloj para microprocesadores o microcontroladores.
Esencialmente no hay sistema electrónico que no incluya al menos un circuito oscilador. Por ejemplo, los relojes electrónicos, los dispositivos de recolección térmica o electroquímica y la tecnología de sensores hacen un uso extensivo de osciladores de cristal de cuarzo de alto rendimiento, que permiten la medición extremadamente precisa de variaciones minúsculas en capacitancia e inductancia, así como otras cantidades.
Desafíos
Los osciladores de cristal solo pueden operar a una única frecuencia, lo que dificulta su implementación en una gama más amplia de aplicaciones de sintonización de frecuencia. Los osciladores de cristal se utilizan con mayor frecuencia en el rango de frecuencia entre 100 kHz y varias decenas de megahercios. Generalmente se deben conectar divisores o multiplicadores de frecuencia externamente para controlar la frecuencia de los osciladores de cristal.
Los factores electromagnéticos, de temperatura y mecánicos tienen un impacto en la estabilidad de la salida del oscilador de cristal. Cuando se someten a una gama de cargas dinámicas, la estabilidad de los osciladores de cristal se deteriora y el rendimiento de todo el sistema disminuirá.
La inestabilidad del oscilador causada por la carga dinámica se puede clasificar como sesgo y deriva del reloj. Estas desviaciones están determinadas por la magnitud y la orientación angular de una propiedad intrínseca conocida como vector de sensibilidad g. Cada cristal tiene su propio vector de sensibilidad g, incluso si todos están cortados de manera idéntica, vibran de la misma manera y tienen la misma frecuencia de resonancia de sobretono.
Además, para un cristal dado, diferentes métodos de medición producen diferentes respuestas. Típicamente se utilizan dos métodos para disminuir el impacto de las cargas dinámicas en la estabilidad de los osciladores de cristal: el método de control pasivo y el método de control activo.
Resumen
- Los osciladores de cristal son componentes esenciales en varias industrias, proporcionando relojes de referencia precisos y estables para dispositivos electrónicos.
- Los cristales de cuarzo, con su alto factor de calidad y estabilidad, son preferidos para la fabricación de osciladores de cristal en diversas aplicaciones.
- Comprender el modelo eléctrico equivalente de los cristales de cuarzo ayuda a optimizar el rendimiento del oscilador basándose en parámetros clave.
- El efecto piezoeléctrico inverso forma la base del funcionamiento del oscilador de cristal, convirtiendo la energía eléctrica en vibraciones mecánicas.
- Los desafíos como las limitaciones de frecuencia y los problemas de estabilidad bajo cargas dinámicas destacan la necesidad de soluciones innovadoras en el diseño de osciladores de cristal.
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