OCXO, Oscilador De Cristal Controlado Por Horno - Estabilidad Y Conceptos Básicos

El oscilador de cristal controlado por horno es capaz de proporcionar niveles extremadamente altos de estabilidad de temperatura. Al utilizar un horno controlado por termostato para mantener su temperatura por encima de la del entorno y, por tanto, a una temperatura constante, el OCXO es una fuente de señal muy estable.

El OCXO obtiene sus siglas del término Oven Controlled crystal (Xtal) Oscillators.

Los OCXO se diseñan normalmente con los más altos estándares, utilizando resonadores de cristal de cuarzo de alta tolerancia. Teniendo en cuenta el hardware adicional del horno y los cristales de alta tolerancia, son mucho más caros que otras formas de osciladores de cristal. Son un

Al igual que muchos otros productos basados en el cristal, los OCXO están disponibles en una amplia variedad de paquetes y estilos de embalaje. También hay que tener en cuenta los niveles de rendimiento y los costes, que también pueden variar considerablemente.

Estabilidad de la frecuencia del cristal de cuarzo

La frecuencia de resonancia de un cristal de cuarzo varía con la frecuencia, a pesar de que son relativamente pequeños en comparación con otros circuitos resonantes LC, etc.

El grado de variación depende en gran medida de la forma en que se corta el cristal durante la fabricación. Los ángulos del plano de la pieza en bruto con respecto a los ejes del cristal original determinan muchas de sus propiedades. Entre ellas, el modo de vibración, el grado del efecto piezoeléctrico, es decir, su actividad, y, por supuesto, la estabilidad de la temperatura.

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Un corte de cristal conocido como corte AT se utiliza en muchas aplicaciones de uso general, ya que presenta un buen perfil de estabilidad de temperatura para muchas aplicaciones a temperatura ambiente, ya que su perfil muestra un bajo cambio alrededor de los 20°C.

Como la mayoría de los hornos de cristal funcionan a temperaturas muy superiores a los 20°C, el cristal de corte AT no es tan adecuado para su uso en aplicaciones de osciladores de cristal controlados por horno.

En la década de 1970 se desarrollaron otros cortes, incluido el corte SC. Este corte de cristal de cuarzo con compensación de tensión, SC, es menos sensible a la tensión mecánica y térmica, lo que le confiere un rendimiento mucho más adecuado para el funcionamiento de los OCXO.

Además, tiene un punto de inflexión de temperatura más bajo, LTTP, con una pendiente muy superficial en el rango de 70 a 85°C, donde funcionan muchos OCXO. La razón por la que la pendiente es poco profunda es que la temperatura de infección está en la región de los 90°C frente a los 25°C en el caso del cristal de corte AT.

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Más recientemente se ha desarrollado otro corte, denominado corte IT. Este corte supera los problemas relacionados con el requisito de que la LTTP se acerque a la temperatura de inflexión.

Para resolver este problema, la talla IT tiene un punto de inflexión de temperatura superior en el rango de 85 a 105°C. Sin embargo, no es totalmente ideal porque no proporciona el nivel inferior de sensibilidad a la tensión mecánica del corte SC.

Comparación de la estabilidad de OCXO y TCXO

Diferentes aplicaciones requerirán diferentes niveles de rendimiento. En algunos casos, un oscilador de cristal por sí solo puede ser satisfactorio, mientras que para otras aplicaciones puede ser necesario un oscilador con compensación de temperatura. Para las especificaciones más exigentes, puede ser necesario un oscilador controlado por horno.

Para aplicaciones que necesitan niveles de estabilidad aún más altos, las opciones que incluyen estándares de rubidio o algunos estándares GPS fuera del aire pueden proporcionar los niveles de precisión requeridos.

Conceptos básicos del OCXO

A pesar de ello, a veces es necesario garantizar un mayor grado de estabilidad. Esto se puede conseguir colocando el cristal en un recipiente aislado térmicamente con un calentador controlado por termostato.

Calentando el cristal a una temperatura superior a la que normalmente se encuentra en el equipo electrónico, la temperatura del cristal puede mantenerse constante. El resultado es un grado mucho mayor de estabilidad de la temperatura. Además, el cristal del OCXO se cortará para garantizar que su estabilidad de temperatura se optimice para la temperatura de funcionamiento interna.

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Comúnmente la temperatura interna de un horno de cristal se ejecuta a una temperatura de 75°C o posiblemente 85°C. La temperatura debe estar por encima de la temperatura más alta que se pueda encontrar, de lo contrario el control de temperatura no funcionará.

La especificación típica para un OCXO puede ser de ±5 x 10-8 por grado Celsius (0,05 ppm), mientras que un oscilador no controlado por horno puede ser entre 10 y 100 veces más pobre. Como el conjunto del oscilador también contiene circuitos de amortiguación y regulación de la tensión de alimentación, las demás características del oscilador también deben ser buenas.

Normalmente, la estabilidad de la frecuencia debería ser de unos ±5 x 10-9 (0,005 ppm) al día y ±5 x 10-7 (0,5 ppm) al año, y de 1 x 10-7 para un cambio del 5% en la tensión de alimentación. Todo ello es mucho mejor de lo que cabría esperar de un simple oscilador de cristal.

Para garantizar el mantenimiento de una precisión global óptima, combatiendo elementos como el envejecimiento del propio cristal, puede ser necesaria una calibración periódica del OCXO. Los períodos de calibración típicos pueden ser del orden de seis meses a un año, pero el período real dependerá del propio OCXO y de los requisitos de la aplicación en la que se utilice.

Consideraciones generales sobre los OCXO

Los OCXO ofrecen un nivel de rendimiento muy superior al de otros tipos de osciladores de cristal. Sin embargo, hay que tener en cuenta una serie de aspectos a la hora de elegir uno. A continuación se describen algunas de las ventajas, desventajas y otras consideraciones:

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Ventajas de los OCXO:

• Estabilidad de la temperatura: Teniendo en cuenta el uso del horno de temperatura controlada, la estabilidad de la temperatura de un OCXO es mucho mejor que la de un TCXO y ciertamente un oscilador de cristal ordinario.
• Precisión de la frecuencia: Dado que la estabilidad de temperatura de los OCXO es mucho mejor que la de otras formas de osciladores de cristal, tiene sentido combinar la estabilidad de temperatura mejorada con cristales de cuarzo de alta precisión para garantizar un alto nivel de precisión básica.
• Rendimiento general: Dado que la estabilidad de temperatura mejorada de los OCXOs añade un coste adicional a la unidad (el horno y los circuitos adicionales, así como los elementos mecánicos), el rendimiento general suele aumentar para adaptarse a la estabilidad de temperatura mejorada.

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Desventajas de los OCXOs:

• Coste: Teniendo en cuenta los circuitos adicionales y los elementos mecánicos necesarios junto con los cristales de mayor rendimiento, el OCXO no suele ser un artículo de bajo coste. Algunos modelos de alto rendimiento pueden costar 100 dólares o mucho más.
• Tamaño: Los OCXO son físicamente mucho más grandes que un simple oscilador de cristal. No sólo necesitan incorporar el propio oscilador de cristal, sino también el calentador, los circuitos de control y el aislamiento térmico alrededor del oscilador de cristal.
• Consumo de energía: La alimentación del calentador en el OCXO puede ser bastante exigente en cuanto a la corriente. Algunas unidades pueden requerir un amperio más o menos en el calentamiento. Esta cifra se reducirá a medida que la temperatura dentro del OCXO aumente y se necesite menos calor. Como se puede imaginar, la temperatura se controla termostáticamente.
• Fuente de alimentación separada: A menudo el calentador del OCXO funciona con una alimentación diferente a la del oscilador. No necesita el mismo nivel de regulación y, de hecho, lo más probable es que el oscilador tenga su propio regulador para eliminar cualquier ruido parásito y RF que pueda aparecer en la línea de alimentación y degradar así el rendimiento del OCXO.

Los OCXOs, Osciladores de Cristal Controlados por Horno, son ideales para su uso cuando se requiere una alta estabilidad y rendimiento de un oscilador de cristal. Los OCXO se utilizan normalmente como referencias de señal en una variedad de equipos en los que se necesita una gran precisión y estabilidad de temperatura. Obviamente, esto tiene un coste, pero cuando se requiere el rendimiento, el OCXO es necesario.

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