# Presentation: 448933

## Osciladores de Cuarzo

- J. Mauricio López R.

- Centro Nacional de Metrología CENAM

## Mercado de los osciladores

**Tipo**

**Unidades**

**Por año**

**Precio**

**unitario**

**Mercado **

**mundial**

**Cuarzo**

- ~ 2 x 10

- 9

- ~$1

- ($0.1 to 3,000)

- ~$1.2B

**Patrones Atómicos**

**Máser de Hidrógeno**

- ~ 10

- $200,000

- $2M

**Relojes de Cesio**

- ~ 300

- $50,000

- $15M

**Relojes de rubidio**

- ~ 20,000

- $2,000

- $40M

**Mercado de los osciladores**

## Aplicaciones de los osciladores de cuarzo

- Navegación

- Comunicaciones

- Metrología

- Exploración espacial

- Computación

- Electrónica

- Aplicaciones militares

## Historía en la tecnología de 

- 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

- El efecto piezoeléctrico provee de un mecanismo que acopla  propiedades mecánicas de una red cristalina con propiedades eléctricas.

**Red sin deformación**

**X**

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

**Red deformada**

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

- _

**X**

- 

- 

- -

**+**

**Y**

**Y**

- _

- _

**El efecto piezoeléctrico**

## El efecto piezoeléctrico en cuarzo

- 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**

## Modos de oscilación

- 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**

## Oscilador de cuarzo

**Voltaje de**
** ****sintonía**

**Resonador**
**De cuarzo**

**Amplificador**

**Frecuencia**
**De salida**

- 2-1

**Oscilador de cuarzo**

## Diagrama a bloques para OCXO

- 

- 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**

## Acrónimos para osciladores

**  ****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**

## Desempeño de osciladores por categoría

**Temperature**
**Sensor**

**Compensation**
**Network or**
**Computer**

**XO**

-  Temperature Compensated (TCXO)

- -450C

- +1 ppm

- -1 ppm

**Oven**
**control**

**XO**

**Temperature**
**Sensor**

- Oven

-  Oven Controlled (OCXO)

- Voltage
- Tune

- Output

-  Crystal Oscillator (XO)

- -450C

- -10 ppm

- +10 ppm

- 250C

- T

- +1000C

**Desempeño de osciladores por categoría**

## Exactitudes típicas de osciladores por categoría

-  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 <$5 para osciladores de cuarzo hasta > $50,000 para relojes de cesio.
- **  Incluye efectos ambientales (e.g., -40oC to +75oC) .

**Exactitudes típicas de osciladores por categoría**

## Salidas típicas de osciladores de cuarzo

- 2-16

- 	La mayoría de los usuarios requieren salidas sinusoidales,  TTL, CMOS, ECL.  Las últimas tres pueden ser generadas a partir de señales sinusoidales.  Las cuatro salidas se ilustran abajo, las lineas punteadas representan las señales de alimentación.  (No hay un voltaje de alimentación “estándar” para salidas sinusoidales. El voltaje de alimentación para las salidas tipo CMOS típicamente están en el intervalo de 3 V a 15 V.)

- +15V

- +10V

- +5V

- 0V

- -5V

- Sine                TTL                 CMOS               ECL

**Salidas típicas de osciladores de cuarzo**

## Propiedades del cuarzo

-      El cuarzo es el único material conocido que posee las siguientes propiedades:
-  piezoeléctrico
-  corte de coeficiente de temperatura cero
-  corte de compensación de esfuerzo
-  bajo costo (alto Q)
-  Fácilmente procesable
-  Abundante en la naturaleza, de crecimiento rápido con alto nivel de pureza.

**Propiedades del cuarzo**

## Monturas 

- 3-18

**Base**

**Clips de**
** ****montura**

**Área de**
**unión**

**Electrodos**

**Cuarzo**

**Cubierta**

**Sello**

**Pins**

**Cuarzo**

**Área de**
**unión**

**Cubierta**

**Clips de**
** ****montura**

**Sello**

**Base**

**Pins**

**Montura de dos puntos**

**Montura de tres y cuatro puntos**

**Vista superior**

**Monturas **

## Factor de calidad

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

- Energía discipada por ciclo

- Energía almacenada por ciclo

- 2

- Q

- π

- 

**Factor de calidad**

## Tiempo de decaimiento, ancho de línea, y Q

- Oscillación

- Inicio de
- oscilación

- Tiempo

- del máximo de intensidad

- 2.7

- 1

- 1

- e

- 

**Decaimiento de la oscilación del resonador**

- td

- Intensidad
- Máxima

- BW

- Intensidad máxima

**Frecuencia **

**Curva de**
**resonancia**

**1⁄2 Intensidad máxima**

**Tiempo de decaimiento, ancho de línea, y Q**

## Resonadores de cuarzo para relojes de pulsera

-      Tamaño miniatura
-      Bajo consumo de energía
-      Bajo costo
-      Alta estabilidad
-    Estos requerimientos puden encontrarse en los osciladores de tenedor a  32,768 Hz

**Resonadores de cuarzo para relojes de pulsera**

## ¿Porqué 32,768 Hz?

**¿Porqué 32,768 Hz?**

## Resonador de tenedor

- 3-35

**Z**

**Y**

**X**

**Y’**

**0~5****0**

**Y**

**Z**

**X**

**base**

**arm**

**a)  Caras naturales y  ejes cristalográficos del cuarzo  **

**Orientación cristalográfica del resonado **
**de tenedor**

**Modos de vibración del**
**resonador de tenedor  **

**Resonador de tenedor**

## Slide 21

## Exactitud, Precisión, y Estabilidad

**Precisión sin **
**exactitud**

**Sin precisión ni**
**exactitud**

**Con exactitud pero**
**sin precisión**

**Exacto y preciso**

**Tiempo**

**Tiempo**

**Tiempo**

**Tiempo**

**Estable pero sin**
**exactitud**

**Sin estabilidad ni**
**exactitud**

**Exacto pero no**
**estable**

**Estable y exacto**

**0**

**f**

**f**

**f**

**f**

**Exactitud, Precisión, y Estabilidad**

## Factores de influencia en la frecuencia de osciladores de cuarzo

-         • 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 Dinámica de la frecuencia respecto a la temperature (periodo de 	calentamiento, impáctos térmicos)
- i         •  memoría térmica ("histéresis")
-    **Acceleración**
-          •  Gravedad (2g inversión)	   •  Ruido acústico
-          •  Vibración			   •  Impacto
-    **Radiación ionizante**
-          •  Photons (X-rays, -rays)
-          •  Particles (neutrons, protons, electrons)
-    **Otros**
-          •  Variaciones de tensión             •  Humedad                    •  Campo magnético
-          •  Presión atmonférica	             •  Impedancia de carga

**Factores de influencia en la frecuencia de osciladores de cuarzo**

## Fluctuaciones de frecuencia en osciladores de cuarzo

**3**

**2**

**1**

**0**

**-1**

**-2**

**-3**

**t****0**

**t****1**

**t****2**

**t****3**

**t****4**

**Discontinuidad**
**en temperatura**

**Vibración**

**Impacto**

**Apagado y **
**encendido**

**2-g**
**inversión**

**Tiempo**

**t****5**

**t****6**

**t****7**

**t****8**

**Envejecimiento**

**Apagado**

**Encendido**

**Inestabilidad**
**de corto plazo**

**Fluctuaciones de frecuencia en osciladores de cuarzo**

## Envejecimiento y estabilidad a corto plazo

**5**

**10**

**15**

**20**

**25**

**Tiempo (días)**

- Inestabilidad a corto plazo
- (ruido)

******f/f (ppm)**

**30**

**25**

**20**

**15**

**10**

**Envejecimiento y estabilidad a corto plazo**

## Mecanismos de envejecimiento

-       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
-    **Pérdida de fuerza **en la montura y estructuras de unión,
-       electrodos, y en el cuarzo.
-    **Otros efectos**
-         Evaporación del cuarzo
-         Efectos de difusión
-         Efectos por reacciones químicas
-         Cambios en la presión del resonador (fugas y evaporación)
-         Envejecmiento de la circuitería
-        Cambios en campo eléctrico
-        Envejecimeitno de la circuitería de control del horno

**Mecanismos de envejecimiento**

## Aceleración y cambios de frecuencia

- Los corrimientos de frecuencia son función de la magnitud y dirección de la aceleración. Dicho corrimiento es usualmente lineal cuando las magnitudes son hasta 50 veces la aceleración de la gravedad.

- 

- 

- 

- 

- 

- 

- 

- 

- 

- 

- 

- 

**Cristal**

**Soportes**

**X’**

**Y’**

**Z’**

**G**

**O**

**Aceleración y cambios de frecuencia**

## Inversión de la gravedad

**Eje 3**

**Eje 2**

**Eje 1**

**g**

**Eje 1**

**Eje 2**

**4**

**2**

**0**

**45**

**90**

**135**

**180**

**225**

**270**

**315**

**360**

**2**

**0**

**45**

**90**

**135**

**180**

**225**

**270**

**315**

**360**

**2**

**0**

**45**

**90**

**135**

**180**

**225**

**270**

**315**

**360**

**4**

**4**

**Inversión de la gravedad**

**Eje 3**

## Vibración sinusoidal

**Tiempo**

- f0 - f              f0 + f

- f0 - f              f0 + f

- f0 - f              f0 + f

- f0 - f              f0 + f

- f0 - f              f0 + f

**Aceleración**

**Tiempo**

**Tiempo**

**Voltage**

**Vibración sinusoidal**

## Niveles de aceleración y sus efectos

** ********f**
**x10****-11**
- 2
- 20
- 50 to 300
- 2 to 10
- 80
- 30 to 500
- 10 to 700
- 2 to 200
- 1,500
- 10 to 100

- Los niveles de aceleración de un oscilador dependen del lugar y de la forma de la montura. Resonancias de la estructura pueden aumentar grandemente  los niveles de aceleración en los osciladores.

**Niveles de aceleración y sus efectos**

## Modulación de fase por vibraciones

- La fase de una señal modulada por una vibración sinusoidal es:

- La desviación de fase máxima es:

- _Ejemplo_:  si oscillator con una señal de10 MHz está sujeto a una vibración  sinusoidal de 10 Hz con una amplitud de 1g, la desviación de fase máxima inducida será de  1 x 10**-3** radian.  Si este oscilador es usado como una referencia en un sistema de radar de 10 GHz, la desviación de fase a 10 GHz será de 1 radian.  Dicha desviación puede causar un desempeño catastrófico  en algunos sistemas, tales como los de lazo de amarre en fase (phase locked loops, PLL).

**Modulación de fase por vibraciones**

## Inestabilidades a corto plazo

**Frecuencia estable (oscilador ideal)**

**Frecuencia inestable (oscilador real)**

- Tiempo

- (t)

- Tiempo

- (t)

- V

- 1

- -1

- 1

- -1

- V(t) = V0 sin(20t)

- V(t) =[V0 + (t)] sin[20t + (t)]

- (t) = 20t

- (t) = 20t + (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

- (

- d

- 2

- 1

- =

- t

- d

- )

- t

- (

- d

- 2

- 1

- =

- )

- t

- (

- 0

- 

- 

- 

- 

- π

- Φ

- π

** **

**Frecuencia instantánea**

- V

**Inestabilidades a corto plazo**

## Señal de un oscilador de cuarzo

**Ruido de**
**amplitud**

**Inestabilidad**
**en frecuencia**

**Ruido**
**de fase**

**-  Voltaje  +**
**0**

**Tiempo**

**Señal de un oscilador de cuarzo**

## Impactos del ruido en osciladores

-      Limita la determinación de la frecuencia de operación de un   	oscilador
-      Limita la exactitud en sincronización y sintonización
-      En comunicaciones, limita la separación en canales, la  	selectivilidad, y favorece las interferencias
-      Causa problemas de sincronía [~**y**( )]
-      Causa probelmas en la comunicación digital
-      Limita la exactitud en sistemas de navegación
-      Limita la estabilización a líneas angostas de resonancia
-      Puede causar pérdida de amarre a señlaes de referencia

**Impactos del ruido en osciladores**

## Error en frecuencia y error en tiempo

**Frecuencia**

**t**

**Tiempo**

**1**

**2**

**3**

**t**

**1**

**2**

**3**

**f****r**

**t**

**Frecuencia**

**Tiempo**

**t**

**f****r**

**Frecuencia**

**Tiempo**

**t**

**t**

**f****r**

**3**

**t**

**Tiempo**

**1**

**2**

**t**

**f****r**

**1**

**2**

**3**

**Frecuencia**

**Error en frecuencia y error en tiempo**

## Osciladores de Cuarzo

- J. Mauricio López R.

- mauricio.lopez@cenam.mx

- + 52 442 211 0543