Fundamentos de los Osciladores de Cuarzo

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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Red deformada
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
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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

Computadoras

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