Oscilador de cristal - Crystal oscillator

Oscilador de cristal

Um cristal de quartzo em miniatura de 16 MHz encerrado em um pacote HC-49 / S hermeticamente selado , usado como o ressonador em um oscilador de cristal.
Modelo	Eletromecânica
Princípio de trabalho	Piezoeletricidade , ressonância
Inventado	Alexander M. Nicholson , Walter Guyton Cady
Primeira produção	1918
Símbolo eletrônico

Um oscilador de cristal é um circuito oscilador eletrônico que usa a ressonância mecânica de um cristal vibrante de material piezoelétrico para criar um sinal elétrico com uma frequência constante . Essa frequência é freqüentemente usada para controlar o tempo, como em relógios de pulso de quartzo , para fornecer um sinal de relógio estável para circuitos integrados digitais e para estabilizar frequências para transmissores e receptores de rádio . O tipo mais comum de ressonador piezoelétrico usado é um cristal de quartzo , então os circuitos osciladores que os incorporam ficaram conhecidos como osciladores de cristal. No entanto, outros materiais piezoelétricos , incluindo cerâmicas policristalinas, são usados ​​em circuitos semelhantes.

Um oscilador de cristal depende da ligeira mudança na forma de um cristal de quartzo sob um campo elétrico , uma propriedade conhecida como eletrostrição ou piezoeletricidade inversa . Uma voltagem aplicada aos eletrodos do cristal faz com que ele mude de forma; quando a tensão é removida, o cristal gera uma pequena tensão ao retornar elasticamente à sua forma original. O quartzo oscila em uma frequência ressonante estável, comportando-se como um circuito RLC , mas com um fator Q muito maior (menor perda de energia a cada ciclo de oscilação). Uma vez que um cristal de quartzo é ajustado a uma determinada frequência (que é afetada pela massa dos eletrodos fixados no cristal, a orientação do cristal, a temperatura e outros fatores), ele mantém essa frequência com alta estabilidade.

Os cristais de quartzo são fabricados para frequências de algumas dezenas de quilohertz a centenas de megahertz. Em 2003, cerca de dois bilhões de cristais são fabricados anualmente. A maioria é usada para dispositivos de consumo, como relógios de pulso , relógios , rádios , computadores e telefones celulares . No entanto, em aplicações onde o tamanho e o peso pequenos são necessários, os cristais podem ser substituídos por ressonadores acústicos de filme fino , especificamente se a ressonância de alta frequência (mais do que cerca de 1,5 GHz) for necessária. Cristais de quartzo também são encontrados em equipamentos de teste e medição, como contadores, geradores de sinal e osciloscópios .

Terminologia

Ressonador de cristal de quartzo (esquerda) e oscilador de cristal de quartzo (direita)

Um oscilador de cristal é um circuito oscilador eletrônico que usa um ressonador piezoelétrico, um cristal, como seu elemento determinante de frequência. Cristal é o termo comum usado em eletrônica para o componente determinante de frequência, um wafer de cristal de quartzo ou cerâmica com eletrodos conectados a ele. Um termo mais preciso para isso é ressonador piezoelétrico . Os cristais também são usados ​​em outros tipos de circuitos eletrônicos, como filtros de cristal .

Ressonadores piezoelétricos são vendidos como componentes separados para uso em circuitos osciladores de cristal. Um exemplo é mostrado na imagem. Eles também são frequentemente incorporados em um único pacote com o circuito oscilador de cristal, mostrado no lado direito.

História

Osciladores de cristal de 100 kHz no US National Bureau of Standards que serviram como o padrão de frequência para os Estados Unidos em 1929

Cristais muito antigos da Bell Labs da Vectron International Collection

A piezoeletricidade foi descoberta por Jacques e Pierre Curie em 1880. Paul Langevin investigou pela primeira vez os ressonadores de quartzo para uso em sonar durante a Primeira Guerra Mundial. O primeiro oscilador controlado por cristal , usando um cristal de sal Rochelle , foi construído em 1917 e patenteado em 1918 por Alexander M. Nicholson da Bell Telephone Laboratories , embora sua prioridade fosse contestada por Walter Guyton Cady . Cady construiu o primeiro oscilador de cristal de quartzo em 1921. Outros inovadores em osciladores de cristal de quartzo incluem GW Pierce e Louis Essen .

Os osciladores de cristal de quartzo foram desenvolvidos para referências de frequência de alta estabilidade durante as décadas de 1920 e 1930. Antes dos cristais, as estações de rádio controlavam sua frequência com circuitos sintonizados , que podiam facilmente desviar a frequência em 3-4 kHz. Uma vez que as estações de transmissão receberam frequências com apenas 10 kHz de distância, a interferência entre estações adjacentes devido ao desvio de frequência era um problema comum. Em 1925, a Westinghouse instalou um oscilador de cristal em sua estação principal KDKA e, em 1926, os cristais de quartzo eram usados ​​para controlar a frequência de muitas estações de transmissão e eram populares entre os operadores de rádio amador. Em 1928, Warren Marrison da Bell Telephone Laboratories desenvolveu o primeiro relógio de cristal de quartzo . Com precisões de até 1 segundo em 30 anos (30 ms / ano ou 0,95 ns / s), os relógios de quartzo substituíram os relógios de pêndulo de precisão como os cronometristas mais precisos do mundo até que os relógios atômicos fossem desenvolvidos na década de 1950. Usando o trabalho inicial da Bell Labs, a AT&T acabou estabelecendo sua divisão de Produtos de Controle de Frequência, mais tarde desmembrada e conhecida hoje como Vectron International.

Várias empresas começaram a produzir cristais de quartzo para uso eletrônico nessa época. Usando o que agora são considerados métodos primitivos, cerca de 100.000 unidades de cristal foram produzidas nos Estados Unidos durante 1939. Durante a Segunda Guerra Mundial, os cristais foram feitos de cristal de quartzo natural, praticamente todos do Brasil . A escassez de cristais durante a guerra causada pela demanda por controle preciso de frequência de rádios e radares militares e navais estimulou a pesquisa do pós-guerra sobre o cultivo de quartzo sintético e, em 1950, um processo hidrotérmico para o cultivo de cristais de quartzo em escala comercial foi desenvolvido nos Laboratórios Bell . Na década de 1970, praticamente todos os cristais usados ​​na eletrônica eram sintéticos.

Em 1968, Juergen Staudte inventou um processo fotolitográfico para fabricar osciladores de cristal de quartzo enquanto trabalhava na North American Aviation (agora Rockwell ) que permitiu que fossem pequenos o suficiente para produtos portáteis como relógios.

Embora os osciladores de cristal ainda usem mais comumente cristais de quartzo, dispositivos que usam outros materiais estão se tornando mais comuns, como ressonadores de cerâmica .

Modos de oscilação de cristal

Operação

Um cristal é um sólido no qual os átomos , moléculas ou íons constituintes são empacotados em um padrão regularmente ordenado e repetido que se estende em todas as três dimensões espaciais.

Quase qualquer objeto feito de um material elástico poderia ser usado como um cristal, com transdutores apropriados , uma vez que todos os objetos têm frequências ressonantes naturais de vibração . Por exemplo, o aço é muito elástico e tem alta velocidade de som. Era freqüentemente usado em filtros mecânicos antes do quartzo. A frequência de ressonância depende do tamanho, forma, elasticidade e velocidade do som no material. Cristais de alta frequência são normalmente cortados na forma de um retângulo simples ou disco circular. Cristais de baixa frequência, como os usados ​​em relógios digitais, são normalmente cortados na forma de um diapasão . Para aplicações que não precisam de temporização muito precisa, um ressonador de cerâmica de baixo custo é frequentemente usado no lugar de um cristal de quartzo.

Quando um cristal de quartzo é cortado e montado corretamente, ele pode ser distorcido em um campo elétrico aplicando uma voltagem a um eletrodo próximo ou no cristal. Esta propriedade é conhecida como eletrostrição ou piezoeletricidade inversa. Quando o campo é removido, o quartzo gera um campo elétrico ao retornar à sua forma anterior, e isso pode gerar uma voltagem. O resultado é que um cristal de quartzo se comporta como um circuito RLC , composto por um indutor , um capacitor e um resistor , com uma frequência ressonante precisa.

O quartzo tem a vantagem adicional de que suas constantes elásticas e seu tamanho mudam de tal forma que a dependência da freqüência em relação à temperatura pode ser muito baixa. As características específicas dependem do modo de vibração e do ângulo em que o quartzo é cortado (em relação aos seus eixos cristalográficos). Portanto, a frequência de ressonância da placa, que depende de seu tamanho, não muda muito. Isso significa que um relógio de quartzo, filtro ou oscilador permanece preciso. Para aplicações críticas, o oscilador de quartzo é montado em um recipiente com temperatura controlada, chamado forno de cristal , e também pode ser montado em amortecedores para evitar perturbação por vibrações mecânicas externas.

Modelagem

Modelo elétrico

Um cristal de quartzo pode ser modelado como uma rede elétrica com pontos de ressonância de baixa impedância (série) e alta impedância (paralelo) espaçados próximos uns dos outros. Matematicamente (usando a transformada de Laplace ), a impedância desta rede pode ser escrita como:

Símbolo esquemático e circuito equivalente para um cristal de quartzo em um oscilador

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

ou

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

onde é a frequência complexa ( ), é a frequência angular ressonante em série e é a frequência angular ressonante paralela. ${\ displaystyle s}$${\ displaystyle s = j \ omega}$${\ displaystyle \ omega _ {\ mathrm {s}}}$${\ displaystyle \ omega _ {\ mathrm {p}}}$

Adicionar capacitância através de um cristal faz com que a frequência ressonante (paralela) diminua. Adicionar indutância através de um cristal faz com que a frequência ressonante (paralela) aumente. Esses efeitos podem ser usados ​​para ajustar a frequência na qual um cristal oscila. Os fabricantes de cristais normalmente cortam e cortam seus cristais para ter uma frequência ressonante especificada com uma capacitância de "carga" conhecida adicionada ao cristal. Por exemplo, um cristal destinado a uma carga de 6 pF tem sua frequência ressonante paralela especificada quando um capacitor de 6,0 pF é colocado sobre ele. Sem a capacitância de carga, a frequência ressonante é mais alta.

Modos de ressonância

Um cristal de quartzo fornece ressonância em série e em paralelo. A ressonância da série é alguns quilohertz mais baixa do que a paralela. Cristais abaixo de 30 MHz são geralmente operados entre ressonância série e paralela, o que significa que o cristal aparece como uma reatância indutiva em operação, esta indutância formando um circuito ressonante paralelo com capacitância paralela externamente conectada. Qualquer pequena capacitância adicional em paralelo com o cristal puxa a frequência para baixo. Além disso, a reatância indutiva efetiva do cristal pode ser reduzida adicionando um capacitor em série com o cristal. Esta última técnica pode fornecer um método útil de ajustar a frequência oscilatória dentro de uma faixa estreita; neste caso, inserir um capacitor em série com o cristal aumenta a frequência de oscilação. Para que um cristal opere em sua frequência especificada, o circuito eletrônico deve ser exatamente aquele especificado pelo fabricante do cristal. Observe que esses pontos implicam em uma sutileza em relação aos osciladores de cristal nesta faixa de frequência: o cristal geralmente não oscila precisamente em nenhuma de suas frequências ressonantes.

Cristais acima de 30 MHz (até> 200 MHz) são geralmente operados em ressonância em série onde a impedância aparece em seu mínimo e igual à resistência em série. Para esses cristais, a resistência em série é especificada (<100 Ω) em vez da capacitância paralela. Para atingir frequências mais altas, um cristal pode ser feito para vibrar em um de seus modos harmônicos , que ocorrem perto de múltiplos da frequência ressonante fundamental. Apenas sobretons ímpares são usados. Tal cristal é denominado cristal de 3º, 5º ou mesmo 7º sobretom. Para conseguir isso, o circuito do oscilador geralmente inclui circuitos LC adicionais para selecionar o sobretom desejado.

Efeitos de temperatura

A característica de frequência de um cristal depende da forma ou "corte" do cristal. Um cristal em diapasão é geralmente cortado de modo que sua dependência da freqüência com a temperatura seja quadrática, com o máximo em torno de 25 ° C. Isso significa que um oscilador de cristal em diapasão ressoa perto de sua frequência alvo na temperatura ambiente, mas diminui quando a temperatura aumenta ou diminui em relação à temperatura ambiente. Um coeficiente parabólico comum para um cristal diapasão de 32 kHz é −0,04 ppm / ° C ² :

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

Em uma aplicação real, isso significa que um relógio construído usando um cristal diapasão regular de 32 kHz mantém um bom tempo na temperatura ambiente, mas perde 2 minutos por ano a 10 ° C acima ou abaixo da temperatura ambiente e perde 8 minutos por ano a 20 ° C acima ou abaixo da temperatura ambiente devido ao cristal de quartzo.

Circuitos osciladores de cristal

Um cristal usado em equipamento de controle de rádio de hobby para selecionar a frequência.

Dentro de um módulo oscilador de cristal de quartzo com pacote DIP moderno. Inclui uma base de PCB de cerâmica, oscilador, chip divisor (/ 8), capacitor de bypass e um cristal de corte AT.

O circuito do oscilador de cristal sustenta a oscilação pegando um sinal de voltagem do ressonador de quartzo , amplificando-o e devolvendo-o ao ressonador. A taxa de expansão e contração do quartzo é a frequência ressonante e é determinada pelo corte e tamanho do cristal. Quando a energia das frequências de saída geradas coincide com as perdas no circuito, uma oscilação pode ser sustentada.

Um cristal oscilador tem duas placas eletricamente condutoras, com uma fatia ou diapasão de cristal de quartzo imprensado entre elas. Durante a inicialização, o circuito de controle coloca o cristal em um equilíbrio instável e, devido ao feedback positivo no sistema, qualquer pequena fração do ruído é amplificada, aumentando a oscilação. O ressonador de cristal também pode ser visto como um filtro altamente seletivo de frequência neste sistema: ele passa apenas uma sub-banda muito estreita de frequências ao redor do ressonante, atenuando todo o resto. Eventualmente, apenas a frequência ressonante está ativa. À medida que o oscilador amplifica os sinais que saem do cristal, os sinais na banda de frequência do cristal se tornam mais fortes, eventualmente dominando a saída do oscilador. A estreita banda de ressonância do cristal de quartzo filtra todas as frequências indesejadas.

A frequência de saída de um oscilador de quartzo pode ser a da ressonância fundamental ou de um múltiplo dessa ressonância, chamada de frequência harmônica . Harmônicas são um múltiplo inteiro exato da frequência fundamental. Mas, como muitos outros ressonadores mecânicos, os cristais exibem vários modos de oscilação, geralmente em múltiplos inteiros aproximadamente ímpares da frequência fundamental. Esses são chamados de "modos de sobretons", e os circuitos do oscilador podem ser projetados para excitá-los. Os modos harmônicos estão em frequências que são aproximadas, mas não em múltiplos inteiros ímpares exatos daquele do modo fundamental, e as frequências harmônicas não são, portanto, harmônicos exatos da fundamental.

Os cristais de alta frequência geralmente são projetados para operar no terceiro, quinto ou sétimo sobretons. Os fabricantes têm dificuldade em produzir cristais finos o suficiente para produzir frequências fundamentais acima de 30 MHz. Para produzir frequências mais altas, os fabricantes fazem cristais harmônicos sintonizados para colocar o 3º, 5º ou 7º harmônico na frequência desejada, porque eles são mais grossos e, portanto, mais fáceis de fabricar do que um cristal fundamental que produziria a mesma frequência - embora excite o tom desejado frequência requer um circuito oscilador ligeiramente mais complicado. Um circuito oscilador de cristal fundamental é mais simples e mais eficiente e tem mais capacidade de puxar do que um terceiro circuito harmônico. Dependendo do fabricante, a frequência fundamental mais alta disponível pode ser de 25 MHz a 66 MHz.

Internos de um cristal de quartzo.

Uma das principais razões para a ampla utilização de osciladores de cristal é o seu elevado factor Q . Um valor Q típico para um oscilador de quartzo varia de 10 ⁴ a 10 ⁶ , em comparação com talvez 10 ² para um oscilador LC . O Q máximo para um oscilador de quartzo de alta estabilidade pode ser estimado como Q = 1,6 × 10 ⁷ / f , onde f é a frequência de ressonância em megahertz.

Uma das características mais importantes dos osciladores de cristal de quartzo é que eles podem exibir ruído de fase muito baixo . Em muitos osciladores, qualquer energia espectral na frequência ressonante é amplificada pelo oscilador, resultando em uma coleção de tons em diferentes fases. Em um oscilador de cristal, o cristal vibra principalmente em um eixo, portanto, apenas uma fase é dominante. Esta propriedade de baixo ruído de fase os torna particularmente úteis em telecomunicações, onde sinais estáveis ​​são necessários, e em equipamentos científicos onde referências de tempo muito precisas são necessárias.

Mudanças ambientais de temperatura, umidade, pressão e vibração podem alterar a frequência de ressonância de um cristal de quartzo, mas existem vários projetos que reduzem esses efeitos ambientais. Isso inclui TCXO, MCXO e OCXO, que são definidos a seguir . Esses designs, particularmente o OCXO, geralmente produzem dispositivos com excelente estabilidade de curto prazo. As limitações na estabilidade de curto prazo são devidas principalmente ao ruído de componentes eletrônicos nos circuitos do oscilador. A estabilidade a longo prazo é limitada pelo envelhecimento do cristal.

Devido ao envelhecimento e fatores ambientais (como temperatura e vibração), é difícil manter até mesmo os melhores osciladores de quartzo dentro de uma parte em 10 ¹⁰ de sua frequência nominal sem ajuste constante. Por esse motivo, os osciladores atômicos são usados ​​para aplicações que requerem melhor estabilidade e precisão de longo prazo.

Frequências espúrias

Cristal de 25 MHz exibindo resposta espúria

Para cristais operados em ressonância em série ou afastados do modo principal pela inclusão de um indutor ou capacitor em série, respostas espúrias significativas (e dependentes da temperatura) podem ser experimentadas. Embora a maioria dos modos espúrios estejam tipicamente algumas dezenas de quilohertz acima da ressonância da série desejada, seu coeficiente de temperatura é diferente do modo principal e a resposta espúria pode mover-se através do modo principal em certas temperaturas. Mesmo que as resistências em série nas ressonâncias espúrias pareçam mais altas do que na frequência desejada, uma mudança rápida na resistência da série do modo principal pode ocorrer em temperaturas específicas quando as duas frequências são coincidentes. Uma consequência dessas quedas de atividade é que o oscilador pode travar em uma frequência espúria em temperaturas específicas. Isso geralmente é minimizado garantindo que o circuito de manutenção tenha ganho insuficiente para ativar modos indesejados.

Freqüências espúrias também são geradas submetendo o cristal à vibração. Isso modula a frequência ressonante em um pequeno grau pela frequência das vibrações. Os cristais de corte SC são projetados para minimizar o efeito da frequência da tensão de montagem e, portanto, são menos sensíveis à vibração. Os efeitos de aceleração, incluindo a gravidade, também são reduzidos com cristais de corte SC, assim como a mudança de frequência com o tempo devido à variação de tensão de montagem de longo prazo. Existem desvantagens com cristais de modo de cisalhamento de corte SC, como a necessidade de o oscilador de manutenção discriminar outros modos indesejáveis ​​intimamente relacionados e aumento da mudança de frequência devido à temperatura quando sujeito a uma faixa ambiente completa. Os cristais de corte SC são mais vantajosos onde o controle de temperatura em sua temperatura de coeficiente de temperatura zero (volume de negócios) é possível; nessas circunstâncias, um desempenho de estabilidade geral de unidades premium pode se aproximar da estabilidade dos padrões de frequência de rubídio.

Frequências de cristal comumente usadas

Os cristais podem ser fabricados para oscilação em uma ampla faixa de frequências, de alguns quilohertz até várias centenas de megahertz. Muitas aplicações requerem uma frequência de oscilador de cristal convenientemente relacionada a alguma outra frequência desejada, então centenas de frequências de cristal padrão são feitas em grandes quantidades e armazenadas por distribuidores de eletrônicos. Por exemplo, os cristais de 3,579545 MHz, que são feitos em grandes quantidades para receptores de televisão em cores NTSC , também são populares para muitos usos não relacionados à televisão. Usando divisores de frequência , multiplicadores de frequência e circuitos de loop de bloqueio de fase , é prático derivar uma ampla faixa de frequências de uma frequência de referência.

Estruturas e materiais de cristal

Quartzo

Tipos de embalagens comuns para produtos de cristal de quartzo

Conjunto de cristais naturais de quartzo

Um cristal de quartzo sintético desenvolvido pela síntese hidrotérmica , com cerca de 19 cm de comprimento e pesando cerca de 127 g

Cristal diapasão usado em um relógio de quartzo moderno

Cristal de quartzo simples

Construção interna de um cristal de quartzo de embalagem HC-49

Cristais de flexão e cisalhamento de espessura

O material mais comum para cristais osciladores é o quartzo . No início da tecnologia, cristais de quartzo naturais eram usados, mas agora o quartzo cristalino sintético desenvolvido por síntese hidrotérmica é predominante devido à maior pureza, menor custo e manuseio mais conveniente. Um dos poucos usos restantes dos cristais naturais é para transdutores de pressão em poços profundos. Durante a Segunda Guerra Mundial e por algum tempo depois, o quartzo natural foi considerado um material estratégico pelos EUA. Cristais grandes foram importados do Brasil. As "lascas" brutas, o quartzo de matéria-prima para a síntese hidrotérmica, são importadas para os EUA ou extraídas localmente pela Coleman Quartz. O valor médio do quartzo sintético crescido em 1994 era de 60 USD / kg.

Tipos

Existem dois tipos de cristais de quartzo: canhotos e destros. Os dois diferem em sua rotação óptica, mas são idênticos em outras propriedades físicas. Cristais destros e canhotos podem ser usados ​​para osciladores, se o ângulo de corte estiver correto. Na manufatura, o quartzo para destros é geralmente usado. Os tetraedros de SiO ₄ formam hélices paralelas; a direção de torção da hélice determina a orientação para a esquerda ou direita. As hélices são alinhadas ao longo do eixo z e mescladas, compartilhando átomos. A massa das hélices forma uma malha de canais pequenos e grandes paralelos ao eixo z. Os grandes são grandes o suficiente para permitir alguma mobilidade de íons e moléculas menores através do cristal.

O quartzo existe em várias fases. A 573 ° C a 1 atmosfera (e em temperaturas e pressões mais altas), o quartzo α sofre inversão de quartzo e se transforma reversivelmente em quartzo β. O processo inverso, entretanto, não é totalmente homogêneo e ocorre a geminação de cristais . Deve-se tomar cuidado durante a fabricação e processamento para evitar a transformação de fase. Outras fases, por exemplo, as fases de alta temperatura tridimita e cristobalita , não são significativas para osciladores. Todos os cristais osciladores de quartzo são do tipo α-quartzo.

Qualidade

A espectrofotometria infravermelha é usada como um dos métodos para medir a qualidade dos cristais cultivados. Os números de onda 3585, 3500 e 3410 cm ⁻¹ são comumente usados. O valor medido é baseado nas bandas de absorção do radical OH e o valor Q infravermelho é calculado. Os cristais de grau eletrônico, grau C, têm Q de 1,8 milhões ou superior; os cristais de grau B premium têm Q de 2,2 milhões e os cristais de grau A especial têm Q de 3,0 milhões. O valor Q é calculado apenas para a região z; cristais contendo outras regiões podem ser adversamente afetados. Outro indicador de qualidade é a densidade do canal de gravação; quando o cristal é gravado , canais tubulares são criados ao longo de defeitos lineares. Para processamento envolvendo corrosão, por exemplo, os cristais diapasão de relógio de pulso, baixa densidade de canal de corrosão é desejável. A densidade do canal de corrosão para quartzo varrido é cerca de 10–100 e significativamente mais para quartzo não varrido. A presença de canais de corrosão e pontos de corrosão degrada o Q do ressonador e introduz não linearidades.

Produção

Os cristais de quartzo podem ser cultivados para fins específicos.

Cristais para corte AT são os mais comuns na produção em massa de materiais osciladores; a forma e as dimensões são otimizadas para alto rendimento dos wafers necessários . Cristais de quartzo de alta pureza são cultivados com baixo teor de alumínio, metal alcalino e outras impurezas e defeitos mínimos; a baixa quantidade de metais alcalinos proporciona maior resistência à radiação ionizante. Cristais para relógios de pulso, para cortar os cristais diapasão de 32768 Hz, são cultivados com densidade de canal de gravação muito baixa.

Os cristais para dispositivos SAW são cultivados como planos, com sementes grandes de tamanho X com baixa densidade de canal de corrosão.

Cristais especiais de alto Q, para uso em osciladores altamente estáveis, crescem em velocidade lenta constante e têm baixa absorção infravermelha constante ao longo de todo o eixo Z. Os cristais podem ser cultivados como barra Y, com um cristal semente em forma de barra e alongado ao longo do eixo Y, ou como placa Z, crescido a partir de uma placa semente com comprimento de direção do eixo Y e largura do eixo X. A região ao redor do cristal semente contém um grande número de defeitos de cristal e não deve ser usada para as bolachas

Os cristais crescem anisotropicamente ; o crescimento ao longo do eixo Z é até 3 vezes mais rápido do que ao longo do eixo X. A direção e a taxa de crescimento também influenciam a taxa de absorção de impurezas. Os cristais em barra Y, ou cristais em placa Z com eixo Y longo, têm quatro regiões de crescimento geralmente chamadas + X, −X, Z e S. A distribuição de impurezas durante o crescimento é desigual; diferentes áreas de crescimento contêm diferentes níveis de contaminantes. As regiões Z são as mais puras, as pequenas regiões S ocasionalmente presentes são menos puras, a região + X é ainda menos pura e a região -X tem o nível mais alto de impurezas. As impurezas têm um impacto negativo na dureza da radiação , suscetibilidade à geminação , perda do filtro e estabilidade de longo e curto prazo dos cristais. Sementes de cortes diferentes em orientações diferentes podem fornecer outros tipos de regiões de crescimento. A velocidade de crescimento da direção −X é a mais lenta devido ao efeito da adsorção das moléculas de água na superfície do cristal; as impurezas de alumínio suprimem o crescimento em duas outras direções. O conteúdo de alumínio é mais baixo na região Z, mais alto em + X, ainda mais alto em −X e mais alto em S; o tamanho das regiões S também aumenta com o aumento da quantidade de alumínio presente. O conteúdo de hidrogênio é mais baixo na região Z, mais alto na região + X, ainda mais alto na região S e mais alto na região −X. As inclusões de alumínio se transformam em centros de cores com a irradiação de raios gama, causando um escurecimento do cristal proporcional à dose e nível de impurezas; a presença de regiões com diferentes escuras revela as diferentes regiões de crescimento.

O tipo de defeito dominante nos cristais de quartzo é a substituição de um átomo de Al (III) por um Si (IV) na estrutura do cristal . O íon alumínio tem um compensador de carga intersticial associado presente nas proximidades, que pode ser um íon H ⁺ (ligado ao oxigênio próximo e formando um grupo hidroxila , chamado defeito Al-OH), íon Li ⁺ , íon Na ⁺ , íon K ⁺ ( menos comum), ou um buraco de elétron preso em um orbital de átomo de oxigênio próximo. A composição da solução de crescimento, seja à base de compostos alcalinos de lítio ou sódio, determina os íons de compensação de carga para os defeitos de alumínio. As impurezas de íons são motivo de preocupação, pois não estão firmemente ligadas e podem migrar através do cristal, alterando a elasticidade da rede local e a frequência de ressonância do cristal. Outras impurezas comuns de preocupação são, por exemplo, ferro (III) (intersticial), flúor, boro (III), fósforo (V) (substituição), titânio (IV) (substituição, universalmente presente no quartzo magmático, menos comum no quartzo hidrotérmico), e germânio (IV) (substituição). Os íons de sódio e ferro podem causar inclusões de cristais de acnita e elemeusita . Inclusões de água podem estar presentes em cristais de crescimento rápido; as moléculas de água intersticiais são abundantes perto da semente do cristal. Outro defeito importante é o defeito de crescimento contendo hidrogênio, quando em vez de uma estrutura Si − O − Si, um par de grupos Si − OH HO − Si é formado; essencialmente uma ligação hidrolisada. Cristais de crescimento rápido contêm mais defeitos de hidrogênio do que os de crescimento lento. Esses defeitos de crescimento são fontes de íons de hidrogênio para processos induzidos por radiação e formação de defeitos Al-OH. As impurezas de germânio tendem a prender os elétrons criados durante a irradiação; os cátions de metal alcalino então migram em direção ao centro carregado negativamente e formam um complexo estabilizador. Os defeitos da matriz também podem estar presentes; vacâncias de oxigênio, vacâncias de silício (geralmente compensadas por 4 hidrogênios ou 3 hidrogênios e um buraco), grupos peróxidos, etc. Alguns dos defeitos produzem níveis localizados na faixa proibida, servindo como armadilhas de carga; Al (III) e B (III) normalmente servem como armadilhas de elétrons, enquanto as lacunas de elétrons, titânio, germânio e átomos de fósforo servem como armadilhas de elétrons. Os portadores de carga presos podem ser liberados por aquecimento; sua recombinação é a causa da termoluminescência .

A mobilidade dos íons intersticiais depende fortemente da temperatura. Os íons de hidrogênio são móveis até 10 K, mas os íons de metais alcalinos tornam-se móveis apenas em temperaturas próximas e acima de 200 K. Os defeitos de hidroxila podem ser medidos por espectroscopia no infravermelho próximo. Os buracos presos podem ser medidos por ressonância de spin de elétrons . Os defeitos de Al − Na ⁺ aparecem como um pico de perda acústica devido ao seu movimento induzido por estresse; os defeitos Al − Li ⁺ não formam um poço potencial, portanto, não são detectáveis ​​desta forma. Alguns dos defeitos induzidos por radiação durante o recozimento térmico produzem termoluminescência ; defeitos relacionados ao alumínio, titânio e germânio podem ser distinguidos.

Cristais por varredura são cristais que passaram por um processo de purificação por eletrodifusão de estado sólido . A varredura envolve o aquecimento do cristal acima de 500 ° C em uma atmosfera livre de hidrogênio, com um gradiente de voltagem de pelo menos 1 kV / cm, por várias horas (geralmente mais de 12). A migração de impurezas e a substituição gradual de íons de metal alcalino por hidrogênio (quando varridos no ar) ou buracos de elétrons (quando varridos no vácuo) causa uma fraca corrente elétrica através do cristal; a queda dessa corrente para um valor constante sinaliza o fim do processo. O cristal é então deixado esfriar, enquanto o campo elétrico é mantido. As impurezas concentram-se na região catódica do cristal, que depois é cortado e descartado. Cristais varridos têm maior resistência à radiação, pois os efeitos da dose dependem do nível de impurezas de metal alcalino; eles são adequados para uso em dispositivos expostos a radiação ionizante, por exemplo, para tecnologia nuclear e espacial. Varredura sob vácuo em temperaturas mais altas e intensidades de campo mais altas produz ainda mais cristais resistentes à radiação. O nível e o caráter das impurezas podem ser medidos por espectroscopia de infravermelho. O quartzo pode ser varrido nas fases α e β; a varredura na fase β é mais rápida, mas a transição de fase pode induzir a geminação. A geminação pode ser mitigada submetendo o cristal à tensão de compressão na direção X, ou um campo elétrico CA ou CC ao longo do eixo X enquanto o cristal esfria através da região de temperatura de transformação de fase.

A varredura também pode ser usada para introduzir um tipo de impureza no cristal. Cristais varridos de lítio, sódio e hidrogênio são usados, por exemplo, para estudar o comportamento do quartzo.

Cristais muito pequenos para frequências de modo fundamental altas podem ser fabricados por fotolitografia.

Os cristais podem ser ajustados para frequências exatas por corte a laser . Uma técnica usada no mundo do rádio amador para ligeira diminuição da freqüência do cristal pode ser alcançada expondo cristais com eletrodos de prata a vapores de iodo , o que provoca um ligeiro aumento de massa na superfície por formar uma fina camada de iodeto de prata ; tais cristais, entretanto, tinham estabilidade problemática a longo prazo. Outro método comumente usado é o aumento ou diminuição eletroquímica da espessura do eletrodo de prata submergindo um ressonador em lápis-lazúli dissolvido em água, ácido cítrico em água ou água com sal e usando o ressonador como um eletrodo e um pequeno eletrodo de prata como o outro .

Ao escolher a direção da corrente, pode-se aumentar ou diminuir a massa dos eletrodos. Os detalhes foram publicados na revista "Radio" (3/1978) pela UB5LEV.

Aumentando a frequência riscando fora partes dos eléctrodos não é aconselhável pois isso pode danificar o cristal e diminuir o seu factor Q . Os trimmers do capacitor também podem ser usados ​​para o ajuste da frequência do circuito do oscilador.

Outros materiais

Alguns outros materiais piezoelétricos além do quartzo podem ser empregados. Estes incluem cristais únicos de tantalato de lítio , niobato de lítio , borato de lítio , berlinita , arseneto de gálio , tetraborato de lítio , fosfato de alumínio , óxido de bismuto de germânio , cerâmica de titanato de zircônio policristalino , cerâmica de alta alumina, compósito de silício - óxido de zinco ou dipotássio . Alguns materiais podem ser mais adequados para aplicações específicas. Um cristal oscilador também pode ser fabricado depositando o material ressonador na superfície do chip de silício. Cristais de fosfato de gálio , langasita , langanita e langatato são cerca de 10 vezes mais puxáveis ​​do que os cristais de quartzo correspondentes e são usados ​​em alguns osciladores VCXO.

Estabilidade

A estabilidade da frequência é determinada pelo Q do cristal . É inversamente dependente da frequência e da constante que depende do corte específico. Outros fatores que influenciam Q são o tom usado, a temperatura, o nível de condução do cristal, a qualidade do acabamento da superfície, as tensões mecânicas impostas ao cristal pela ligação e montagem, a geometria do cristal e os eletrodos fixados, o pureza do material e defeitos no cristal, tipo e pressão do gás no invólucro, modos de interferência e presença e dose absorvida de radiação ionizante e de nêutrons.

Temperatura

A temperatura influencia a freqüência de operação; São utilizadas várias formas de compensação, desde a compensação analógica (TCXO) e compensação do microcontrolador (MCXO) até a estabilização da temperatura com um forno de cristal (OCXO). Os cristais possuem histerese de temperatura ; a freqüência em uma dada temperatura alcançada pelo aumento da temperatura não é igual à freqüência na mesma temperatura alcançada pela diminuição da temperatura. A sensibilidade à temperatura depende principalmente do corte; os cortes com compensação de temperatura são escolhidos de forma a minimizar a dependência frequência / temperatura. Cortes especiais podem ser feitos com características lineares de temperatura; o corte LC é usado em termômetros de quartzo. Outros fatores de influência são o som harmônico usado, a montagem e os eletrodos, impurezas no cristal, tensão mecânica, geometria do cristal, taxa de mudança de temperatura, histórico térmico (devido à histerese), radiação ionizante e nível de acionamento.

Os cristais tendem a sofrer anomalias em suas características de frequência / temperatura e resistência / temperatura, conhecidas como quedas de atividade. Estas são pequenas frequências descendentes ou excursões de resistência ascendentes localizadas em certas temperaturas, com sua posição de temperatura dependente do valor dos capacitores de carga.

Tensão mecânica

As tensões mecânicas também influenciam a frequência. As tensões podem ser induzidas pela montagem, ligação e aplicação dos eletrodos, por expansão térmica diferencial da montagem, eletrodos e do próprio cristal, por tensões térmicas diferenciais quando há um gradiente de temperatura presente, por expansão ou encolhimento da ligação materiais durante a cura, pela pressão do ar que é transferida para a pressão ambiente dentro do invólucro do cristal, pelas tensões da própria estrutura do cristal (crescimento não uniforme, impurezas, deslocamentos), pelas imperfeições da superfície e danos causados ​​durante a fabricação, e pelo ação da gravidade sobre a massa do cristal; a frequência pode, portanto, ser influenciada pela posição do cristal. Outros fatores de indução de estresse dinâmico são choques, vibrações e ruído acústico. Alguns cortes são menos sensíveis a tensões; o corte SC (Stress Compensated) é um exemplo. Mudanças na pressão atmosférica também podem introduzir deformações no invólucro, influenciando a frequência ao alterar as capacitâncias parasitas.

A umidade atmosférica influencia as propriedades de transferência térmica do ar e pode alterar as propriedades elétricas dos plásticos pela difusão das moléculas de água em sua estrutura, alterando as constantes dielétricas e a condutividade elétrica .

Outros fatores que influenciam a frequência são a tensão de alimentação, impedância de carga, campos magnéticos, campos elétricos (no caso de cortes que são sensíveis a eles, por exemplo, cortes SC), a presença e dose absorvida de partículas γ e radiação ionizante, e a idade do cristal.

Envelhecimento

Os cristais sofrem uma mudança lenta e gradual de frequência com o tempo, conhecida como envelhecimento. Existem muitos mecanismos envolvidos. A montagem e os contatos podem sofrer alívio das tensões internas. Moléculas de contaminação da atmosfera residual, liberadas do cristal, eletrodos ou materiais de embalagem, ou introduzidas durante a vedação do invólucro, podem ser adsorvidas na superfície do cristal, alterando sua massa; este efeito é explorado em microbalanças de cristal de quartzo . A composição do cristal pode ser alterada gradualmente pela liberação de gases, difusão de átomos de impurezas ou migração dos eletrodos, ou a rede pode ser danificada pela radiação. Reações químicas lentas podem ocorrer no cristal ou nas superfícies internas do invólucro. O material do eletrodo, por exemplo, cromo ou alumínio, pode reagir com o cristal, criando camadas de óxido metálico e silício; essas camadas de interface podem sofrer alterações com o tempo. A pressão no gabinete pode mudar devido à variação da pressão atmosférica, temperatura, vazamentos ou liberação de gás dos materiais internos. Fatores externos ao próprio cristal são, por exemplo, envelhecimento do circuito do oscilador (e, por exemplo, mudança de capacitâncias) e variação de parâmetros do forno de cristal. A composição da atmosfera externa também pode influenciar o envelhecimento; o hidrogênio pode se difundir através da carcaça de níquel. O hélio pode causar problemas semelhantes quando se difunde através de invólucros de vidro de padrões de rubídio .

O ouro é um material de eletrodo preferido para ressonadores de baixo envelhecimento; sua adesão ao quartzo é forte o suficiente para manter o contato mesmo com fortes choques mecânicos, mas fraca o suficiente para não suportar gradientes de deformação significativos (ao contrário do cromo, alumínio e níquel). O ouro também não forma óxidos; ele adsorve contaminantes orgânicos do ar, mas são fáceis de remover. No entanto, o ouro sozinho pode sofrer delaminação; uma camada de cromo é, portanto, às vezes usada para melhorar a força de ligação. Prata e alumínio são freqüentemente usados ​​como eletrodos; no entanto, ambos formam camadas de óxido com o tempo, o que aumenta a massa do cristal e diminui a frequência. A prata pode ser passivada por exposição a vapores de iodo , formando uma camada de iodeto de prata . O alumínio oxida facilmente, mas lentamente, até que cerca de 5 nm de espessura seja alcançada; o aumento da temperatura durante o envelhecimento artificial não aumenta significativamente a velocidade de formação do óxido; uma espessa camada de óxido pode ser formada durante a fabricação por anodização . A exposição de cristal folheado a prata a vapores de iodo também pode ser usada em condições amadoras para diminuir ligeiramente a frequência do cristal; a frequência também pode ser aumentada raspando partes dos eletrodos, mas isso acarreta o risco de danos ao cristal e perda de Q.

Uma polarização de tensão DC entre os eletrodos pode acelerar o envelhecimento inicial, provavelmente por difusão induzida de impurezas através do cristal. Colocar um capacitor em série com o cristal e um resistor de vários megaohm em paralelo pode minimizar essas tensões.

Dano mecânico

Os cristais são sensíveis ao choque . O estresse mecânico causa uma mudança de curto prazo na frequência do oscilador devido à sensibilidade ao estresse do cristal e pode introduzir uma mudança permanente de frequência devido a mudanças induzidas por choque de montagem e tensões internas (se os limites elásticos do mecanismo mecânico partes são excedidas), dessorção de contaminação das superfícies do cristal ou mudança nos parâmetros do circuito do oscilador. Grandes magnitudes de choques podem rasgar os cristais de suas montagens (especialmente no caso de grandes cristais de baixa frequência suspensos em fios finos) ou causar rachaduras no cristal. Os cristais sem imperfeições superficiais são altamente resistentes ao choque; O polimento químico pode produzir cristais capazes de sobreviver a dezenas de milhares de g .

Flutuações de frequência

Os cristais também sofrem pequenas flutuações de frequência de curto prazo. As principais causas de tal ruído são, por exemplo, ruído térmico (que limita o piso de ruído), espalhamento de fônons (influenciado por defeitos de rede), adsorção / dessorção de moléculas na superfície do cristal, ruído dos circuitos osciladores, choques mecânicos e vibrações, mudanças de aceleração e orientação, flutuações de temperatura e alívio de tensões mecânicas. A estabilidade de curto prazo é medida por quatro parâmetros principais: variância de Allan (o mais comum especificado nas planilhas de dados do oscilador), ruído de fase, densidade espectral de desvios de fase e densidade espectral de desvios de frequência fracionários. Os efeitos de aceleração e vibração tendem a dominar as outras fontes de ruído; dispositivos de onda acústica de superfície tendem a ser mais sensíveis do que os de onda acústica volumosa (BAW), e os cortes compensados ​​por tensão são ainda menos sensíveis. A orientação relativa do vetor de aceleração em relação ao cristal influencia dramaticamente a sensibilidade à vibração do cristal. As montagens de isolamento de vibração mecânica podem ser usadas para cristais de alta estabilidade.

O ruído de fase desempenha um papel significativo em sistemas de síntese de frequência usando multiplicação de frequência; a multiplicação de uma frequência por N aumenta a potência do ruído de fase por N ² . Uma multiplicação da frequência por 10 vezes multiplica a magnitude do erro de fase por 10 vezes. Isso pode ser desastroso para sistemas que empregam tecnologias PLL ou FSK .

Danos de radiação

Os cristais são um tanto sensíveis aos danos da radiação . O quartzo natural é muito mais sensível do que os cristais cultivados artificialmente, e a sensibilidade pode ser ainda mais reduzida ao varrer o cristal - aquecendo o cristal a pelo menos 400 ° C em uma atmosfera livre de hidrogênio em um campo elétrico de pelo menos 500 V / cm por pelo menos pelo menos 12 horas. Esses cristais varridos têm uma resposta muito baixa à radiação ionizante constante. Alguns átomos de Si (IV) são substituídos por impurezas de Al (III) , cada um tendo um cátion de compensação Li ⁺ ou Na ⁺ próximo. A ionização produz pares elétron-buraco; os buracos estão presos na rede perto do átomo de Al, os átomos de Li e Na resultantes estão frouxamente presos ao longo do eixo Z; a mudança da rede perto do átomo de Al e a constante elástica correspondente causam então uma mudança correspondente na frequência. A varredura remove os íons Li ⁺ e Na ⁺ da rede, reduzindo esse efeito. O sítio Al ³⁺ também pode capturar átomos de hidrogênio. Todos os cristais têm uma mudança de frequência negativa transitória após a exposição a um pulso de raios-X ; a frequência então muda gradualmente de volta; o quartzo natural atinge a frequência estável após 10–1000 segundos, com um deslocamento negativo para a frequência de pré-irradiação, os cristais artificiais retornam a uma frequência ligeiramente inferior ou superior à da pré-irradiação, os cristais de varredura recozem virtualmente de volta à frequência original. O recozimento é mais rápido em temperaturas mais altas. A varredura sob vácuo em altas temperaturas e intensidade de campo pode reduzir ainda mais a resposta do cristal aos pulsos de raios-X. A resistência em série de cristais não varridos aumenta após uma dose de raios-X e recoze para um valor um pouco mais alto para um quartzo natural (exigindo uma reserva de ganho correspondente no circuito) e de volta para o valor de pré-irradiação para cristais sintéticos. A resistência em série dos cristais varridos não é afetada. O aumento da resistência em série degrada Q; um aumento muito alto pode interromper as oscilações. A radiação de nêutrons induz mudanças de frequência, introduzindo deslocamentos na rede, eliminando os átomos; um único nêutron rápido pode produzir muitos defeitos; a frequência de corte de SC e AT aumenta quase linearmente com a dose de nêutron absorvida, enquanto a frequência de cortes de BT diminui. Os nêutrons também alteram as características de frequência de temperatura. A mudança de frequência em baixas doses de radiação ionizante é proporcionalmente maior do que em doses mais altas. A radiação de alta intensidade pode parar o oscilador induzindo fotocondutividade no cristal e transistores; com um cristal varrido e um circuito projetado adequadamente, as oscilações podem reiniciar dentro de 15 microssegundos após a explosão da radiação. Cristais de quartzo com altos níveis de impurezas de metal alcalino perdem Q com a irradiação; Q de cristais artificiais varridos não é afetado. A irradiação com doses mais altas (acima de 10 ⁵ rad) diminui a sensibilidade às doses subsequentes. Doses de radiação muito baixas (abaixo de 300 rad) têm efeito desproporcionalmente maior, mas essa não linearidade satura em doses mais altas. Em doses muito altas, a resposta à radiação do cristal também se satura, devido ao número finito de locais de impureza que podem ser afetados.

Os campos magnéticos têm pouco efeito no cristal em si, pois o quartzo é diamagnético ; No entanto, correntes parasitas ou tensões CA podem ser induzidas nos circuitos e partes magnéticas da montagem e do alojamento podem ser influenciadas.

Após a inicialização, os cristais levam de vários segundos a minutos para "aquecer" e estabilizar sua frequência. Os OCXOs controlados por forno requerem geralmente de 3 a 10 minutos para aquecer para atingir o equilíbrio térmico; os osciladores sem forno estabilizam em vários segundos, pois os poucos miliwatts dissipados no cristal causam um pequeno, mas perceptível, nível de aquecimento interno.

Os cristais não têm mecanismos de falha inerentes; alguns operam em dispositivos há décadas. As falhas podem ser, no entanto, introduzidas por falhas na ligação, invólucros com vazamento, corrosão, mudança de frequência por envelhecimento, quebra do cristal por choque mecânico muito alto ou dano induzido por radiação quando quartzo não varrido é usado. Os cristais também podem ser danificados por overdrive.

Os cristais devem ser acionados no nível de acionamento apropriado. Enquanto os cortes AT tendem a ser razoavelmente tolerantes, com apenas seus parâmetros elétricos, estabilidade e características de envelhecimento sendo degradados quando overdrive, os cristais de baixa frequência, especialmente os de modo flexural, podem se quebrar em níveis de drive muito altos. O nível do inversor é especificado como a quantidade de energia dissipada no cristal. Os níveis de drive apropriados são cerca de 5 μW para modos flexurais de até 100 kHz, 1 μW para modos fundamentais de 1–4 MHz, 0,5 μW para modos fundamentais de 4–20 MHz e 0,5 μW para modos de sobretons de 20–200 MHz. Um nível de drive muito baixo pode causar problemas ao iniciar o oscilador. Níveis baixos de acionamento são melhores para maior estabilidade e menor consumo de energia do oscilador. Níveis de acionamento mais altos, por sua vez, reduzem o impacto do ruído, aumentando a relação sinal-ruído .

A estabilidade dos cristais de corte AT diminui com o aumento da frequência. Para frequências mais altas mais precisas, é melhor usar um cristal com frequência fundamental mais baixa, operando em sobretom.

O envelhecimento diminui logaritmicamente com o tempo, as maiores mudanças ocorrendo logo após a fabricação. O envelhecimento artificial de um cristal por armazenamento prolongado de 85 a 125 ° C pode aumentar sua estabilidade a longo prazo.

Um circuito oscilador mal projetado pode repentinamente começar a oscilar em um tom harmônico . Em 1972, um trem em Fremont, Califórnia, caiu devido a um oscilador com defeito. Um valor inadequado do capacitor do tanque fez com que o cristal em uma placa de controle fosse sobrecarregado, saltando para um tom harmônico e fazendo com que o trem acelerasse em vez de desacelerar.

Cortes de cristal

A placa ressonadora pode ser cortada do cristal de origem de muitas maneiras diferentes. A orientação do corte influencia as características de envelhecimento do cristal, estabilidade de frequência, características térmicas e outros parâmetros. Esses cortes operam em onda acústica volumosa (BAW); para frequências mais altas, dispositivos de onda acústica de superfície (SAW) são empregados.

Imagem de vários cortes de cristal

OT no nome do corte marca um corte com compensação de temperatura, um corte orientado de forma que os coeficientes de temperatura da rede sejam mínimos; os cortes FC e SC também são compensados ​​por temperatura.

Os cortes de alta frequência são montados pelas bordas, geralmente em molas; a rigidez da mola tem que ser ótima, como se ela fosse muito rígida, choques mecânicos poderiam ser transferidos para o cristal e fazer com que ele se quebrasse, e muito pouca rigidez pode permitir que o cristal colida com o interior da embalagem quando sujeito a um choque mecânico e quebra. Ressonadores de tira, geralmente cortes AT, são menores e, portanto, menos sensíveis a choques mecânicos. Na mesma frequência e sobretom, a tira tem menos capacidade de puxar, maior resistência e maior coeficiente de temperatura.

Os cortes de baixa frequência são montados nos nós onde estão virtualmente imóveis; fios finos são presos em tais pontos em cada lado entre o cristal e os terminais. A grande massa de cristal suspensa nos fios finos torna o conjunto sensível a choques mecânicos e vibrações.

Os cristais são geralmente montados em caixas de vidro ou metal hermeticamente seladas, preenchidas com uma atmosfera seca e inerte, geralmente a vácuo, nitrogênio ou hélio. Caixas de plástico também podem ser usadas, mas não são herméticas e outra vedação secundária deve ser construída ao redor do cristal.

Várias configurações de ressonador são possíveis, além da forma clássica de anexar diretamente os condutores ao cristal. Por exemplo, o ressonador BVA (Boîtier à Vieillissement Amélioré, Enclosure with Improved Aging), desenvolvido em 1976; as partes que influenciam as vibrações são usinadas a partir de um único cristal (o que reduz a tensão de montagem), e os eletrodos são depositados não no próprio ressonador, mas nas laterais internas de dois discos condensadores feitos de fatias adjacentes de quartzo da mesma barra , formando um sanduíche de três camadas sem tensão entre os eletrodos e o elemento vibratório. A lacuna entre os eletrodos e o ressonador atua como dois capacitores em série, tornando o cristal menos sensível às influências do circuito. A arquitetura elimina os efeitos dos contatos de superfície entre os eletrodos, as restrições nas conexões de montagem e os problemas relacionados à migração de íons dos eletrodos para a rede do elemento vibratório. A configuração resultante é robusta, resistente a choques e vibrações, à aceleração e à radiação ionizante e possui características aprimoradas de envelhecimento. O corte AT é normalmente usado, embora também existam variantes de corte SC. Ressonadores BVA são freqüentemente usados ​​em aplicações de espaçonaves.

Nas décadas de 1930 a 1950, era bastante comum que as pessoas ajustassem a frequência dos cristais por moagem manual. Os cristais foram triturados com uma pasta abrasiva fina, ou mesmo uma pasta de dente, para aumentar sua frequência. Uma ligeira diminuição de 1–2 kHz quando o cristal estava sobre o solo foi possível marcando a face do cristal com uma grafite de lápis, ao custo de um Q reduzido.

A frequência do cristal é ligeiramente ajustável ("puxável"), modificando as capacitâncias anexadas. Um varactor , um diodo com capacitância dependendo da voltagem aplicada, é freqüentemente usado em osciladores de cristal controlados por voltagem, VCXO. Os cortes de cristal são geralmente AT ou raramente SC e operam no modo fundamental; a quantidade de desvio de frequência disponível é inversamente proporcional ao quadrado do número do sobretom, portanto, um terceiro sobretom tem apenas um nono da capacidade de puxar do modo fundamental. Os cortes SC, embora mais estáveis, são significativamente menos puxáveis.

Notações de circuito e abreviações

Em diagramas esquemáticos elétricos, os cristais são designados com a letra de classe Y (Y1, Y2, etc.). Os osciladores, sejam eles osciladores de cristal ou outros, são designados com a letra de classe G (G1, G2, etc.). Os cristais também podem ser designados em um esquema com X ou XTAL , ou um oscilador de cristal com XO .

Tipos de osciladores de cristal e suas abreviações:

• ATCXO - Oscilador de cristal analógico com temperatura controlada
• CDXO - Oscilador de cristal duplo calibrado
• DTCXO - Oscilador digital de cristal com compensação de temperatura
• EMXO - Oscilador de cristal miniatura evacuado
• GPSDO - oscilador disciplinado do sistema de posicionamento global
• MCXO - Oscilador de cristal compensado por microcomputador
• OCVCXO - oscilador de cristal controlado por voltagem controlado por forno
• OCXO - Oscilador de cristal controlado por forno
• RbXO - osciladores de cristal de rubídio (RbXO), um oscilador de cristal (pode ser um MCXO) sincronizado com um padrão de rubídio embutido que é executado apenas ocasionalmente para economizar energia
• TCVCXO - Oscilador de cristal controlado por voltagem com compensação de temperatura
• TCXO - Oscilador de cristal com compensação de temperatura
• TMXO - Oscilador tático de cristal em miniatura
• TSXO - Oscilador de cristal com sensor de temperatura, uma adaptação do TCXO
• VCTCXO - Oscilador de cristal compensado por temperatura controlada por tensão
• VCXO - oscilador de cristal controlado por tensão

Veja também

• Gerador de relógio
• Clock drift - Medições de clock drift de osciladores de cristal podem ser usadas para construir geradores de números aleatórios .
• Filtro de cristal
• Erhard Kietz trabalha em diapasões eletrônicos e com cristais de quartzo para frequências de sinal precisas
• Issac Koga - inventor do corte R1 Koga estável à temperatura
• Oscilador de perfuração
• Microbalança de cristal de quartzo usando osciladores de cristal para pesar quantidades extremamente pequenas.
• Monitor de espessura de filme fino
• VFO - oscilador de frequência variável

Referências

Leitura adicional

• Poddar, AK; Rohde, Ulrich L. (19 de outubro de 2012). "Osciladores de cristal". Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering . pp. 1-38. doi : 10.1002 / 047134608X.W8154 . ISBN 978-0471346081.
• Rohde, Ulrich L. (agosto de 1997). Sintetizadores de micro-ondas e sem fio: teoria e design . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-52019-1.
• Poddar, AK; Rohde, Ulrich L. (21–24 de maio de 2012). As técnicas minimizam o ruído de fase em circuitos osciladores de cristal . Simpósio de controle de frequência (FCS), 2012 IEEE International. IEEE. doi : 10.1109 / FCS.2012.6243701 .
• Poddar, AK; Rohde, UL; Apte, AM (30 de agosto de 2013). "How Low Can They Go ?: Oscillator Phase Noise Model, Theoretical, Experimental Noise Validation, and Phase Noise Model". Revista Microondas . IEEE. 14 (6): 50–72. doi : 10.1109 / MMM.2013.2269859 . S2CID  22624948 .
• Rohde, Ulrich L .; Poddar, AK; Apte, AM (30 de agosto de 2013). "Obtendo sua medida: técnicas e limitações de medição de ruído da fase do oscilador". Revista Microondas . IEEE. 14 (6): 73–86. doi : 10.1109 / MMM.2013.2269860 . S2CID  40924332 .
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links externos

• Introdução aos padrões de frequência de quartzo
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• Distorções em osciladores de cristal
• Ressonadores e osciladores de cristal de quartzo
• Resumo de várias páginas de cristais de quartzo e seus osciladores, filtros, etc.