Presentacin de PowerPoint

Osciladores de CuarzoJ. Mauricio Lpez R.Centro Nacional de Metrologa CENAM(para ~1997)TipoUnidadesPor aoPreciounitarioMercado mundialCuarzo~ 2 x 109~$1($0.1 to 3,000)~$1.2BPatrones AtmicosMser de Hidrgeno~ 10$200,000$2MRelojes de Cesio~ 300$50,000$15MRelojes de rubidio~ 20,000$2,000$40MMercado de los osciladoresAplicaciones de los osciladores de cuarzoNavegacinComunicacionesMetrologaExploracin espacialComputacinElectrnicaAplicaciones militares1880 Efecto piezoelctrico descubierto por Jacques y Pierre Curie1905Primer crecimiento hidrotrmico de cuarzo en lab. por G. Spezia1917Primera aplicacin de piezoelctricos en sonares1918Primer aplicacin del cristal piezoelctrico en osciladores1926Primer estacin de radio controlada por cristales de cuarzo1927Descubrimiento del corte de coeficinete cero de temperatura1927Primer reloj de cristal de cuarzo1934Primera aplicacin prctica del corte de coeficiente cero de temp.1949Primer oscilador de alta estabilidad y exactitud1956Primer comercializacin de cuarzo artificial1956Primera descripcin del TCXO1972Desarrollo del oscilador de tenedor; primeros relojes de pulsera1982Primer MCXOHistora en la tecnologa de osciladores de cuarzoEl efecto piezoelctrico provee de un mecanismo que acopla propiedades mecnicas de una red cristalina con propiedades elctricas. Red sin deformacinX+++++++++++++++++++++____________________Red deformada+++++++++++++++++++++____________________X-+YY__El efecto piezoelctrico3-3En el cuarzo, los cinco componentes de esfuerzo pueden ser generados por un campo elctrico. Los modos de oscilacin (siguiente imagen) pueden ser excitados por la accin de electrodos propiamente colocados. El esfuerzo de corte a lo largo del eje Z producido por la accin 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. Deformacin

EXTENSION

CORTEFIELD along:X

Y

Z

X

Y

ZX Y Z XYZEl efecto piezoelctrico en cuarzo3-4Modo de flexinModo de extensinModo de distorsinde caraModo de distorsinde espesorModo fundamentalde esfuerzo de corteTercer armmicode modo de esfuerzode corteModos de oscilacinVoltaje de sintonaResonadorDe cuarzoAmplificadorFrecuenciaDe salida2-1Oscilador de cuarzoOutputOvenCada 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

VCXOVoltage Controlled Crystal Oscillator

OCXOOven Controlled Crystal Oscillator

TCXOTemperature Compensated Crystal Oscillator

TCVCXO..Temperature Compensated/Voltage Controlled Crystal Oscillator

OCVCXO..Oven Controlled/Voltage Controlled Crystal Oscillator

MCXOMicrocomputer Compensated Crystal Oscillator

RbXO.Rubidium-Crystal OscillatorAcrnimos para osciladores2-7TemperatureSensorCompensationNetwork orComputerXO Temperature Compensated (TCXO)-450C

+1 ppm-1 ppm+1000CTOvencontrolXOTemperatureSensorOven Oven Controlled (OCXO)-450C

+1 x 10-8-1 x 10-8+1000CTVoltageTuneOutput Crystal Oscillator (XO)-450C-10 ppm+10 ppm250CT+1000C

Desempeo de osciladores por categora 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) Aplicacin tpica

Computadoras

Comunicacin inalmbricamovil

Comunicacin en espectrodisperso

Navegacin

Comunicacin por satlites

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

* Tamaos tpicos desde 30 litros para relojes de cesio. Costos desde $50,000 para relojes de cesio.

** Incluye efectos ambientales (e.g., -40oC to +75oC) .Exactitudes tpicas de osciladores por categora2-16La mayora de los usuarios requieren salidas sinusoidales, TTL, CMOS, ECL. Las ltimas tres pueden ser generadas a partir de seales sinusoidales. Las cuatro salidas se ilustran abajo, las lineas punteadas representan las seales de alimentacin. (No hay un voltaje de alimentacin estndar para salidas sinusoidales. El voltaje de alimentacin para las salidas tipo CMOS tpicamente estn en el intervalo de 3 V a 15 V.)+15V+10V+5V0V-5VSine TTL CMOS ECLSalidas tpicas de osciladores de cuarzo El cuarzo es el nico material conocido que posee las siguientes propiedades:

piezoelctrico

corte de coeficiente de temperatura cero

corte de compensacin de esfuerzo

bajo costo (alto Q)

Fcilmente procesable

Abundante en la naturaleza, de crecimiento rpido con alto nivel de pureza. Propiedades del cuarzo3-18BaseClips de monturarea deuninElectrodosCuarzoCubiertaSelloPinsCuarzorea deuninCubiertaClips de monturaSelloBasePinsMontura de dos puntosMontura de tres y cuatro puntosVista superiorMonturas Q es proporcioanl al tiempo de decaimiento, y es inversamente proporcional al ancho de lnea.

A mayor Q, mayor estabilidad de frecuencia y mayor potencial de exactitud en el resonador (un alto Q es una condicin 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 lnea, y la estabilidad (para un tiempo de promediacin) de 10-12 requiere permanecer cerca del mximo de la curva de resonancia con 10-6 del ancho de lnea.

Energa discipada por ciclo Energa almacenada por ciclo 2QFactor de calidadOscillacinInicio deoscilacinTiempodel mximo de intensidad 2.711e=Decaimiento de la oscilacin del resonador

tdIntensidadMximaBWIntensidad mxima

Frecuencia Curva deresonancia

Intensidad mximaTiempo de decaimiento, ancho de lnea, y Q Carcatersticas:

Tamao miniatura

Bajo consumo de energa

Bajo costo

Alta estabilidad

Estos requerimientos puden encontrarse en los osciladores de tenedor a 32,768 HzResonadores de cuarzo para relojes de pulsera3-3432,76816,3848,1924,0962,0481,024512256128643216842132,768 = 215

En relojes analgicos, un motor de paso recibe un impulso por segundo para hacer avanzar la manecilla de los segundos6o, esto es, 1/60th del crculo, cada segundo.

Dividiendo 32,768 Hz por 2 a la 15 da como resultado 1 Hz.

32,768 Hz es una frecuencua que resulta del compromiso entre tamao, potencia requerida (tiempo de vida de la batera) y estabilidad.Porqu 32,768 Hz?3-35ZYXY0~50YZXbasearma) Caras naturales y ejes cristalogrficos del cuarzo Orientacin cristalogrfica del resonado de tenedorModos de vibracin delresonador de tenedor Resonador de tenedor

Cristal de reloj de pulseraCilndro de 2mm de dimtero y 6 mm de largoPrecisin sin exactitudSin precisin niexactitudCon exactitud perosin precisinExacto y precisoTiempoTiempoTiempoTiempoEstable pero sinexactitudSin estabilidad niexactitudExacto pero noestableEstable y exacto0ffffExactitud, Precisin, y Estabilidad Tiempo ruido a corto plazo ruido a mediano plazo (por ejemplo, temperatura del oscilador) inestabilidades a largo plazo (por ejemplo: envejecimiento)

Temperatura Dependencia estacionaria de la frecuencia respecto a la temperature Dependencia Dinmica de la frecuencia respecto a la temperature (periodo de calentamiento, impctos trmicos)i memora trmica ("histresis")

Acceleracin Gravedad (2g inversin) Ruido acstico Vibracin Impacto

Radiacin ionizante Photons (X-rays, -rays) Particles (neutrons, protons, electrons)

Otros Variaciones de tensin Humedad Campo magntico Presin atmonfrica Impedancia de carga

Factores de influencia en la frecuencia de osciladores de cuarzo

3210-1-2-3t0t1t2t3t4Discontinuidaden temperaturaVibracinImpactoApagado y encendido2-ginversinTiempot5t6t7t8EnvejecimientoApagadoEncendidoInestabilidadde corto plazoFluctuaciones de frecuencia en osciladores de cuarzo510152025Tiempo (das)Inestabilidad a corto plazo(ruido)f/f (ppm)3025201510Envejecimiento y estabilidad a corto plazo Transferencia de masa por contaminacin Puesto que f 1/t, f/f = -t/t; por ejemplo., f5MHz 106 capas moleculares, por lo tanto 1 monocapa en el cristal contribuye a la frecuencia en f/f 1 ppm

Prdida de fuerza en la montura y estructuras de unin, electrodos, y en el cuarzo.

Otros efectos Evaporacin del cuarzo Efectos de difusin Efectos por reacciones qumicas Cambios en la presin del resonador (fugas y evaporacin) Envejecmiento de la circuitera Cambios en campo elctrico Envejecimeitno de la circuitera de control del hornoMecanismos de envejecimientoLos corrimientos de frecuencia son funcin de la magnitud y direccin de la aceleracin. Dicho corrimiento es usualmente lineal cuando las magnitudes son hasta 50 veces la aceleracin de la gravedad.CristalSoportes

XYZGOAceleracin y cambios de frecuenciaEje 3Eje 2Eje 1g

Eje 1Eje 24-2-42045901351802252703153602045901351802252703153602045901351802252703153604-2-4-2-44Inversin de la gravedadEje 3Tiempof0 - f f0 + f f0 - f f0 + f f0 - f f0 + f f0 - f f0 + f f0 - f f0 + f AceleracinTiempoTiempoVoltage

Vibracin sinusoidalAmbiente

EdificiosCamin (3-80 Hz)Armored personnel carrierBarco mar en calmaBarco mar agitadoAvin de motor HelicopteroAvin tipo JetMissile fase inicialFerrocarril

Aceleracin niveles tpicos en gs0.02 rms0.2 mximo0.5 to 3 rms0.02 to 0.1 mximo0.8 mximo0.3 to 5 rms0.1 to 7 rms0.02 to 2 rms15 mximo0.1 to 1 mximo

fx10-1122050 to 3002 to 108030 to 50010 to 7002 to 2001,50010 to 100

Los niveles de aceleracin de un oscilador dependen del lugar y de la forma de la montura. Resonancias de la estructura pueden aumentar grandemente los niveles de aceleracin en los osciladores. Niveles de aceleracin y sus efectos4-67La fase de una seal modulada por una vibracin sinusoidal es:La desviacin de fase mxima es: Ejemplo: si oscillator con una seal de10 MHz est sujeto a una vibracin sinusoidal de 10 Hz con una amplitud de 1g, la desviacin de fase mxima inducida ser de 1 x 10-3 radian. Si este oscilador es usado como una referencia en un sistema de radar de 10 GHz, la desviacin de fase a 10 GHz ser de 1 radian. Dicha desviacin puede causar un desempeo catastrfico en algunos sistemas, tales como los de lazo de amarre en fase (phase locked loops, PLL).

Modulacin de fase por vibracionesFrecuencia estable (oscilador ideal)Frecuencia inestable (oscilador real)Tiempo(t)Tiempo(t)V1-1T1T2T31-1T1T2T3V(t) = V0 sin(20t)V(t) =[V0 + (t)] sin[20t + (t)](t) = 20t(t) = 20t + (t)

V(t) = voltaje de salida del osc., V0 = Amplitud de voltaje(t) = Ruido de amplitud, 0 = Frecuencia de la portadora(t) = Fase, t d)t(d21= t d)t(d21 = )t(0f+nn Frecuencia instantneaVInestabilidades a corto plazo4-17

Ruido deamplitudInestabilidaden frecuenciaRuidode fase- Voltaje +0TiempoSeal de un oscilador de cuarzo Limita la determinacin de la frecuencia de operacin de un oscilador Limita la exactitud en sincronizacin y sintonizacin En comunicaciones, limita la separacin en canales, la selectivilidad, y favorece las interferencias Causa problemas de sincrona [~y()] Causa probelmas en la comunicacin digital Limita la exactitud en sistemas de navegacin Limita la estabilizacin a lneas angostas de resonancia Puede causar prdida de amarre a selaes de referencia

Impactos del ruido en osciladoresfr = frecuencia de referenciaFrecuenciatTiempo123t123frtFrecuenciaTiempotfrFrecuenciaTiempottfr3tTiempo12tfr123FrecuenciaError en frecuencia y error en tiempoOsciladores de CuarzoJ. Mauricio Lpez R.mauricio.lopez@cenam.mx+ 52 442 211 0543