Cristalul de cuart

Cristalul de cuart

Anumite cristale, cum ar fi tartratul (dublu) de sodiu si potasiu, cuartul si, turmalina, prezinta proprietati piezoelectrice. Tartratul (dublu) de sodiu si potasiu nu este folosit pentru oscilatoarele de radiofrecventa, cu toate ca, odinioara, el era foarte mult folosit pentru realizarea dozelor de picup. Cristalele de turmalina pot fi utilizate pentru unele aplicatii in radiofrecventa, dar de cele mai multe ori nu sunt utilizate din cauza costurilor ridicate. Turmalina este considerata o piatra semipretioasa, fapt pentu care cristalul de turmalina este mai indicat pentru realizarea de bijuterii decat pentru circuite radio. Astfel, cel mai preferat material pentru cristale radio este cuartul.

Fig. 26 Structura cristalului de cuart

In fig. 26 este prezentat un cristal tipic de cuart. In realitate, cristalele arareori au toate planurile si fatetele prezentate. Pentru a stabili geometria si pozitia diferitelor taieturi in cristal sunt utilizate trei axe optice (X, Y si Z). In prezent, segmenele de cristal utilizate in circuitele de radiofrecventa sunt felii subtiri din cristalul de baza. Unele felii sunt luate de-a lungul axelor optice, astfel incat exista asa numitele felii cu taietura X, taietura Y sau taietura Z. Altele sunt luate dupa anumite sectiuni, care sunt denumite prin litere ca: BT, BC, FT, AT s.a.m.d.

Efectul piezoelectric se refera la faptul ca, daca un cristal de cuart este supus unui efort mecanic, pe fetele lui apar sarcini electrice, generand astfel un potential electric. Daca cristalul este lovit mecanic o singura data, acesta va vibra inainte si inapoi, producand un potential oscilant de o parte si de alta a terminalelor sale cu frecventa sa de rezonanta. Datorita pierderilor, oscilatiile se vor amortiza rapid. Dar daca cristalul este lovit in mod repetat, atunci el va genera oscilatii permanente cu frecventa sa de rezonanta. Totusi, sa lovim cristalul cu un ciocanel foarte mic, atata timp cat dorim sa avem oscilatii, nu constituie o aplicatie deosebita. Din fericire, piezoelectricitatea este un fenomen reversibil: daca aplicam un potential electric de o parte si de alta a feliei de cuart, aceasta se va deforma. Astfel, daca vom amplifica iesirea cristalului, iar o parte din iesirea amplificatorului o vom folosi ca reactie pentru a reexcita electric cristalul, atunci acesta va mentine oscilatia pe frecventa sa de rezonanta.

In fig. 27 se prezinta schema electrica echivalenta, simbolul unui rezonator cu cristal, variatia cu frecventa a modulului impedantei echivalente si a fazei . Exista patru componente de baza a circuitului echivalent al cristalului: inductanta serie (), rezistenta serie (), capacitatea serie () si capacitatea paralel (). Deoarece exista doua capacitati, vor exista doua rezonante: serie si paralel. In punctul de rezonanta serie impedanta va fi minima, iar in cel de rezonanta paralel maxima.

Fig. 27

Frecventa de rezonanta serie a cuartului va fi:

.

Deoarece la frecventa mai mari ca frecventa de rezonanta serie circuitul va avea un caracter inductiv, impedanta caracteristica a acestuia, , va creste odata cu frecventa pana la frecventa de rezonanta derivatie , cand . Aceasta frecventa se va determina cu relatia:

.

Avand in vedere ca, in practica, raportul este foarte mic ( ), putem dezvolta radicalul din ultima relatie in serie binomiala, rezultand relatia aproximativa dintre frecventa de rezonanta serie si cea paralel:

.

Din analiza acestei relatii rezulta ca frecventa de rezonanta paralel este foarte apropiata de cea serie, diferenta fiind sub 1% din

.

In practica, in serie sau in paralel cu cristalul de cuart se conecteaza o capacitate de sarcina , care deplaseaza frecventa de rezonanta derivatie (la care functionarea cuartului este instabila) catre frecventa de rezonanta serie. In aceste conditii, diferenta dintre cele doua frecvente de rezonanta va fi:

,

iar rezistenta echivalenta serie a cuartului:

.

Factorul de calitate al cuartului, poate lua valori de la 1.000 la 50.000, iar atunci cand acesta este dispus intr-un balon vidat poate atinge valori de ordinul 500.000.

Frecventa de rezonanta serie a cuartului poate lua valori in domeniul . La frecventa mai mari de 20 MHz se utilizeaza cristale "overtone" cu proprietatea de a rezona pe un multiplu impar al frecventei fundamentale, putandu-se obtine oscilatii cu frecventa de pana la 200 MHz.

Amplitudinea oscilatiilor mecanice ale cristalului trebuie limitata pentru a evita deteriorarea lui.

Deviatia relativa a frecventei cu temperatura poate fi mai buna de (1 ppm). Din punct de vedere al performantelor cu temperatura, in practica vom intalni trei categorii de oscilatoare cu cuart: oscilatoare cu cuart la temperatura camerei - RTXO (room temperature crystal oscillators), oscilatoare cu cuart compensate cu temperatura TCXO (temperature-compensated crystal oscillators) si oscilatoare cu cuart in incinta termotastata - OCXO (oven-controlled crystal oscillators).

In oscilatoarele cu cuart la temperatura camerei - RTXO, nu se iau masuri speciale privind deviatia de frecventa. Dar, prin alegerea corespunzatoare a taieturii cristalului si printr-o atentie rezonabila la constructie, este posibil sa se obtina o stabilitate de 2,5 ppm intr-o gama de temperatura de la 0°C la 50°C.

Oscilatoare cu cuart compensate cu temperatura TCXO functioneaza, de asemenea, intr-o gama de temperatura de la 0°C la 50°C, dar sunt proiectate pentru o stabilitate mai buna. Coeficientii cu temperatura ai unor elemente componente ale oscilatorului sunt proiectati sa compenseze deviatia de frecventa a cristalului, imbunatatind astfel stabilitatea de frecventa pana la 0,5 ppm. Costul oscilatoarelor TCXO a fost micsorat considerabil de-a lungul anilor pana in momentul in care, pentru oscilatoarele climatizate cu un pret de cost relativ scazut s-a obtinut o stabilitate considerabil mai buna.

Cea mai buna stabilitate o au oscilatoarele cu cuart in incinta termotastata - OCXO, folosite ca baza de timp. In aceste oscilatoare cristalul rezonator este amplasat in interiorul unei incinte unde este mentinuta o temperatura constanta, de regula, aproape 70°C sau 80°C. Exista doua forme de termostatare a cristalului folosite in proiectarea OCXO: cu control on/off sau cu control proportional. In cazul unui control de tip on/off sistemul de incalzire este pornit cand temperatura din interiorul incintei scade sub o anumita valoare si este oprita atunci cand aceasta se ridica la o anumita valoare maxima. Controlul de tip proportional actioneaza circuitul de incalzire in mod continuu, valoarea tensiunii de alimentare a acestuia fiind proportionala cu diferenta reala dintre temperatura camerei si o valoare de referinta. Incintele cu incalzire on/off permit obtinerea unei stabilitati de 0,1 ppm, iar cele cu control proportional pot atinge o stabilitate de 0,0002 ppm () dupa 20 de minute de la pornire si 0,00014 ppm () dupa 24 de ore.

Variatiile descrise mai sus se refera la stabilitatea cu temperatura a oscilatorului. Putem, de asemenea, sa avem in vedere si stabilitatea pe termen scurt, respectiv stabilitatea pe termen lung (imbatranire).

Stabilitatea pe termen scurt se refera la variatiile aleatoare ale frecventei si fazei datorate zgomotelor ce se produc in orice schema de oscilator. Aceasta mai este uneori denumita stabilitatea in domeniul timp sau deviatia fractionara de frecventa. In practica, stabilitatea pe termen scurt poate fi un fel de valoare medie rms pe durata unei secunde. Valorile tipice ale stabilitatii pe termen scurt pentru diferite tipuri de oscilatore sunt:

• RTXO rms 0,002 ppm
• TCXO rms 0,001ppm
• OCXO (on/off) rms 0,0005 ppm
• OCXO (prop.) rms 0,00001 ppm

Stabilitatea pe termen lung a oscilatorului este determinata indeosebi de imbatranirea cristalului. Natura cristalului, calitatea acestuia, precum si planul dupa care rezonatorul a fost taiat din cristalul original de cuart sunt factori determinanti in definirea imbatranirii. Acest parametru este determinat, uzual, in termenii de unitati de frecventa pe o luna calendaristica.

RTXO /luna 0,3 ppm

TXCO /luna 0.1 ppm

OCXO (on/off) /luna 0.1 ppm

OCXO (prop.) /luna 0.015 ppm

OXCO (prop.) /zi 0.0005 ppm