Introducción a los Cristales de Cuarzo
El cristal de cuarzo es utilizado como componente de control de la
frecuencia de circuitos osciladores convirtiendo las vibraciones mecánicas
en voltajes eléctricos a una frecuencia específica.
Esto ocurre debido
al efecto "piezoeléctrico". La piezo-electricidad es electricidad creada
por una presión mecánica. En un material piezoeléctrico, al aplicar una
presión mecánica sobre un eje, dará como consecuencia la creación de una
carga eléctrica a lo largo de un eje ubicado en un ángulo recto respecto
al de la aplicación de la presión mecánica.
En algunos materiales, se
encuentra que aplicando un campo eléctrico según un eje, produce una
deformación mecánica según otro eje ubicado a un ángulo recto respecto al
primero.
Por las propiedades mecánicas, eléctricas, y químicas, el
cuarzo es el material más apropiado para fabricar dispositivos con
frecuencia bien controlada.
La siguiente figura muestra la ubicación
de elementos específicos dentro de una piedra de cuarzo
De los cortes que se pueden hacer, el corte "AT" es el más popular y es
fabricado hasta frecuencias relativamente altas, mostrando una excelente
estabilidad de frecuencia frente a las variaciones de la temperatura.
La siguiente gráfica muestra la variación en partes por millón
(PPM) con respecto a la temperatura.
Frecuencia Fundamental vs. Frecuencia de Sobretono
Esto es
de importancia cuando se especifica un cristal. Cuando se incrementa la
frecuencia solicitada, el espesor del cuerpo del cristal disminuye y por
supuesto existe un límite en el proceso de fabricación. Alrededor de
30MHz, el espesor de la placa del cristal comienza a ser muy delgada.
Debido a que el corte "AT" resonará a números enteros impares
múltiplos de de la frecuencia fundamental, es necesario especificar el
orden del sobretono deseado para cristales de altas frecuencias.
Potencia de trabajo (Drive Level)
Es la potencia disipada por
el cristal. Está normalmente especificada en micro o milivatios, siendo un
valor típico 100 microvatios.
Tolerancia en la frecuencia
La tolerancia en la frecuencia se
refiere a la máxima desviación permitida y se expresa en partes por
millón (PPM) para una temperatura especificada, usualmente 25°C.
Estabilidad de la frecuencia
La estabilidad de la frecuencia
se refiere a la máxima desviación en PPM, en un determinado rango de
temperatura. La desviación esta tomada con referencia a la frecuencia
medida a 25°C.
Envejecimiento
El envejecimiento se refiere a los cambios
acumulativos en la frecuencia del cristal con el transcurrir del tiempo.
Los factores que intervienen son: exceso en la potencia disipada, efectos
térmicos, fatiga en los alambres de armado y pérdidas en la elasticidad
del cristal.
El diseño de circuitos considerando bajas temperaturas
ambientales y mínimas potencias en el cristal reducirán el envejecimiento.
Circuito Eléctrico Equivalente
El circuito eléctrico
equivalente que se muestra a continuación es un esquema del cristal de
cuarzo trabajando a una determinada frecuencia de resonancia. El capacitor
Co o capacdad en paralelo, representa en total la capacidad entre
los electrodos del cristal más la capacidad de la carcaza y sus
terminales. R1,C1 y L1 conforman la rama principal del cristal y se
conocen como componentes o parámetros motional donde:
- L1 representa la masa vibrante del cristal,
- C1 representa la elasticidad del cuarzo y
- R1 representa las pérdidas que ocurren dentro del cristal.
Curva de Impedancia
Un cristal tiene dos frecuencias de fase
cero, como se ven en la siguiente figura. La más baja es la Frecuencia de
Resonancia Serie indicada como fs. En éste punto el cristal se
comporta como una resistencia en el circuito, la impedancia está en un
mínimo y la corriente que circula es la máxima. A medida que se incrementa
la frecuencia, el cristal pasa por la Frecuencia de Resonancia Paralelo y
llega a la frecuencia de Antiresonancia fa en la cual la impedancia
es máxima, y las reactancias de la L1 y la Co se cancelan. En éste punto,
la corriente que circula por el cristal es la mínima.-
Factor de Calidad (Q)
El factor de calidad (Q) es una medida
de la eficiencia de la oscilación. La máxima estabilidad obtenible de un
cristal depende de el valor de "Q". En la figura de la impedancia del
cristal, la separación entre las frecuencias serie y paralelo se llama
ancho de banda. Cuanto más pequeño el ancho de banda mayor es el
"Q". Cambios en la reactancia del circuito externo tienen menos efecto
(menos "pullability") en un cristal de alto "Q" por lo tanto la frecuencia
es en definitiva más estable.-
Circuitos Osciladores
Circuitos Osciladores Serie
Un circuito básico oscilador
resonante serie, utiliza un cristal que está diseñado para oscilar en su
frecuencia resonante serie natural. En éste circuito no hay capacitores en
la realimentación Los circuitos resonantes serie son usados por la baja
cantidad de componentes que se utilizan, pero estos circuitos pueden tener
componentes parásitos que intervienen en la realimentación. y en el caso
que el cristal deje de funcionar oscilarán a una frecuencia impredecible.
El esquema del circuito oscilador serie es:
De la figura del circuito básico del oscilador resonante serie se
ve que no existen componentes para ajustar la frecuencia de oscilación. R1
es utilizado para polarizar el inversor en su región lineal de operación y
además provee realimentación negativa al inversor. C1 es un capacitor de
acople para bloquear la componente de continua. R2 está para controlar la
potencia que se entrega al cristal, limitando la corriente a través de él.
Circuitos Osciladores Paralelo
Un circuitos oscilador
paralelo utiliza un cristal que está diseñado para operar con un valor
específico de capacidad de carga. Esto resultará en un cristal que tendrá
una frecuencia mayor que la frecuencia resonante serie, pero menor que la
verdadera frecuencia resonante paralelo.
Un circuito básico se muestra
a continuación.
Este circuito utiliza un inversor simple para hacer el oscilador,
donde R1 y R2 cumplen las mismas funciones que en el circuito del
oscilador resonante serie, con dos capacitores en la realimentación, que
componen la capacidad de carga y en conjunto con el cristal darán lugar a
la frecuencia a la cual oscilará el circuito. O sea que ajustes en los
capacitores de carga, darán lugar a una variación pequeña en la frecuencia
de oscilación, permitiendo un ajuste fino de la misma. El cristal es
resonante paralelo, especificado para trabajar con una deteminada
capacidad de carga a la frecuencia deseada y con la tolerancia y
estabilidad deseadas. La capacidad de carga para el cristal en este
circuito puede ser calculada con la siguiente fórmula:
donde para inversores de las familias lógicas CMOS de alta
velocidad:
- Cs es la capacidad parásita del circuito y normalmente se estima
entre 3pf a 10pf.
- R1 es del orden de 8.2 MOhm a 10 MOhm
- R2 es del orden de 470 Ohm a 2200 Ohm
Capacidad de ser Cargado (Pullability)
Son los cambios de
frecuencia de un cristal, ya sea de su frecuencia de resonancia natural Fr
a una frecuencia FL de una carga resonante, o desde una carga resonante a
otra. Esta cantidad depende de la capacidad en paralelo Co, de la C1 del
cristal y la CL de carga.
En la siguienta figura se muestra
la variación de frecuencia en función de la capacidad de carga, expresada
en PPM.
Circuito Oscilador con transistor
Visitar vínculo, para ver diseño completo.-
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