Osciladores de cuarzo y sus aplicaciones

Introducción:

Los osciladores de cuarzo son circuitos electrónicos basados en un cristal de cuarzo oscilante para generar una frecuencia altamente estable. En función de los requisitos y las condiciones ambientales, pueden alcanzarse estabilidades de frecuencia del orden de 10E-5 a 10E-12 al día. Existen módulos osciladores estandarizados para aplicaciones cotidianas, mientras que los osciladores de alta precisión suelen diseñarse y fabricarse individualmente para requisitos especiales.

Tipos de osciladores:

Según las normas internacionales, los osciladores de cristal se dividen en las siguientes categorías:

1. SPXO - Osciladores de cristal de paquete simple
2. VCXO - Oscilador de cristal controlado por tensión
3. TCXO - Oscilador de cristal de temperatura compensada
4. OCXO - Osciladores de cristal de temperatura estabilizada (Oven Controlled Crystal Oscillator)
5. LPXO - Osciladores de cristal de baja potencia con estabilidades de temperatura de ±0,5ppm por encima de -40/+85°C y con un envejecimiento de ±1x10E-6.

Comportamiento frente a la temperatura

Los cambios de temperatura afectan a la frecuencia del cristal, incluso con cristales de corte AT estables a la temperatura. Los elementos de conmutación adicionales o los circuitos integrados pueden empeorar este comportamiento. La división de frecuencias es un posible método para mejorar la precisión a bajas frecuencias.

Influencias de la tensión de funcionamiento y la carga

La frecuencia es sensible a los cambios de tensión, en particular debido al cambio de capacitancia de los transistores del amplificador. La impedancia de carga en la salida también influye en la frecuencia. Los amplificadores tampón ayudan a minimizar estos efectos.

Comportamiento a largo plazo

El envejecimiento de la frecuencia suele ser mayor en los primeros meses de funcionamiento. El denominado "burn-in" a temperaturas elevadas puede reducir este envejecimiento. Los osciladores muy estables permanecen en modo de espera para evitar la deriva de frecuencia al encenderse.

Los VCXO (osciladores de cuarzo controlados por tensión) permiten controlar la frecuencia mediante una tensión continua externa. Normalmente sólo se utilizan para sincronizar un dispositivo/aplicación con una señal de referencia entrante (concepto maestro-esclavo) o para la modulación de frecuencia. Un diodo de capacitancia (varactor) sustituye al condensador de ajuste.

Parámetros típicos:

• Margen de frecuencia de tracción (margen de tracción = por ejemplo ±50ppm min.)
• Sensibilidad de tiro (pullability = por ejemplo ±10ppm/pF)
• No linealidad de la modulación (por ejemplo, 10% máx.)

Con el TCXO, el cambio de frecuencia se compensa con la temperatura. Según el proceso, el control puede ser analógico (con redes de termistores) o digital (con sensor, ADC, memoria y DAC).

Los TCXO están experimentando un auténtico renacimiento en las tecnologías de comunicación y navegación, y pueden fabricarse de forma muy económica gracias a los circuitos integrados que utilizamos. Los TCXO son los osciladores de cristal de alta precisión más utilizados y se caracterizan por un ruido de fase muy bueno y unos valores de fluctuación excelentes. Esto también hace que los TCXO sean la primera opción y preferibles a los osciladores MEMS cuando se utilizan en circuitos con multiplicación de frecuencia posterior.

Las áreas típicas de uso son aplicaciones GPS y GLONASS, teléfonos inteligentes, dispositivos de radio, IoT, IIoT, aplicaciones de contadores inteligentes, enrutadores, dispositivos de medición, etc.

Estabilidad de frecuencia alcanzable:

• Típicamente <0,5 - 2,5 ppm sobre -40 - +85 °C

Los OCXO funcionan con un termostato calentado que mantiene el cuarzo y posiblemente el circuito a una temperatura constante. Con el OCXO, la temperatura del termostato puede estar en el rango de +85°C. En principio, la temperatura de calentamiento está cerca del punto de inversión de la curva TC del cuarzo. Para minimizar la deriva de frecuencia del resonador de cuarzo, en el OCXO se utiliza un cristal de cuarzo en un sobretono. Normalmente en el 3er o 5º sobretono. En el 5º sobretono en particular, la capacitancia dinámica C1 (capacitancia de derivación) es muy baja, lo que facilita la compensación de la frecuencia del cristal.

Existen termostatos de una etapa y de dos etapas (dobles). Estos últimos ofrecen la máxima estabilidad de temperatura con bajas desviaciones de frecuencia. Además, en función de la precisión requerida, se utilizan resonadores de cuarzo con corte AT o SC. Los cristales con corte SC ofrecen una precisión de frecuencia y una estabilidad de temperatura mucho mayores que los cristales con corte AT.

Precisiones típicas:

• < 1 x 10E-7 (OCXO simple)
• < 1 x 10E-9 (OCXO doble)

Debido al consumo de energía y al tamaño, el uso de OCXO suele reservarse para aplicaciones de alta precisión como estaciones base de telefonía móvil, patrones de referencia GPS, tecnología de medición o telecomunicaciones.

Resumen de los parámetros importantes del oscilador

• Frecuencia nominal y tolerancia
• Cambio de frecuencia debido a: Temperatura, tensión, carga, tiempo (envejecimiento)
• Comportamiento de rodaje, estabilidad a corto plazo
• Alimentación: tensión, corriente, rizado
• Señal de salida: nivel, forma, ruido
• Factores ambientales: rango de temperatura, golpes, vibraciones

Los LPXO son un "término medio" entre los SPXO y los TCXO. Los LPXO siempre se utilizan cuando se requiere un bajo consumo o cuando la tolerancia de frecuencia de un SPXO es demasiado baja pero la de un TCXO es demasiado precisa. Esto significa que un LPXO es siempre más barato que un TCXO.