¿Qué Es Un Resonador De Cristal De Cuarzo?

Los resonadores de cristal de cuarzo se utilizan para proporcionar elementos resonantes de muy alto Q dentro de muchos diseños electrónicos y particularmente dentro de muchos diseños de circuitos de RF dentro de osciladores y filtros. A menudo, en el diseño de un circuito, estos componentes electrónicos pueden denominarse "Xtals" y las referencias del diseño del circuito pueden darse como xtal1, etc.

Los cristales de cuarzo pueden ser baratos de producir aunque ofrecen un rendimiento excepcional y pueden utilizarse para todo, desde diseños electrónicos para osciladores de reloj de microprocesadores hasta filtros de alto rendimiento, osciladores controlados por horno altamente estables, osciladores de cristal compensados por temperatura y muchos más diseños de circuitos generales y de RF.

Como su nombre indica, los resonadores de cristal de cuarzo están hechos de cuarzo, que es una forma natural de silicio. Sin embargo, la mayor parte del cuarzo utilizado en la industria electrónica se fabrica sintéticamente.

Los resonadores de cristal de cuarzo están disponibles en muchos tamaños y formatos para adaptarse a los requisitos de la mayoría de las aplicaciones. Desde pequeños dispositivos de montaje en superficie hasta cristales más grandes montados a través de agujeros, así como aquellos para zócalos, hay muchos tamaños y formatos para estos componentes electrónicos.

Conceptos básicos de los resonadores de cristal de cuarzo

La tecnología de resonadores de cristal de cuarzo se basa en las extraordinarias propiedades del cuarzo para su funcionamiento. Cuando se coloca en un circuito electrónico, un cristal de cuarzo actúa como un circuito sintonizado. Sin embargo, tiene un Q excepcionalmente alto.

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Los circuitos sintonizados LC ordinarios pueden presentar valores de unos pocos cientos si se diseñan y construyen cuidadosamente, pero los cristales de cuarzo presentan valores de hasta 100 000.

Además de su Q, la tecnología de los cristales tiene otras ventajas. Son muy estables con respecto a la temperatura y el tiempo. De hecho, la mayoría de los cristales tienen especificadas estas cifras, que suelen ser de ±5 ppm (partes por millón) al año para el envejecimiento y de ±30 ppm en un rango de temperatura de 0 a 60 C.

En funcionamiento, el cristal de cuarzo utiliza el efecto piezoeléctrico para convertir las señales eléctricas en vibraciones mecánicas. Éstas hacen vibrar el cristal y las resonancias mecánicas del cristal actúan entonces sobre las vibraciones mecánicas. A continuación, el efecto piezoeléctrico vuelve a enlazar con el dominio eléctrico y las señales se convierten de nuevo tras haber sido afectadas por las resonancias mecánicas.

El efecto general es que el cristal de cuarzo enlaza las resonancias mecánicas de muy alto Q con el dominio eléctrico, lo que permite que resonancias muy estables y de alto Q afecten a las señales eléctricas.

Símbolo del circuito de cristal de cuarzo

El símbolo del circuito de un resonador de cristal de cuarzo utilizado en los esquemas de diseño electrónico es sencillo. El símbolo del cristal de cuarzo muestra las dos placas a cada lado del elemento principal de cuarzo. Tiene dos líneas, una superior y otra inferior, con un rectángulo central.

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En muchos sentidos, el símbolo del circuito es una buena representación del propio cristal, especialmente porque los primeros resonadores de cristal consistían en una placa de cuarzo sostenida entre dos placas conductoras.

A diferencia de muchos otros símbolos de circuito, hay muy pocas variaciones del símbolo de circuito de cristal de cuarzo, por lo que es ampliamente reconocido.

Cómo funcionan los resonadores de cristal de cuarzo

El funcionamiento del cristal de cuarzo se basa en el hecho de que el cuarzo presenta el efecto piezoeléctrico. Esto significa que cuando se establece una tensión que atraviesa el cristal, se observa una fuerza electromotriz o un potencial eléctrico. Lo mismo ocurre a la inversa: cuando se aplica un potencial a través del cristal, éste se desvía ligeramente.

Esto significa que el efecto piezoeléctrico permite vincular los dominios mecánico y eléctrico.

En lo que respecta al funcionamiento del cristal de cuarzo como resonador de alto Q, el cristal de cuarzo puede tener una señal eléctrica, como una señal en un receptor de radio, colocada a través de él. Ésta se convierte en una vibración mecánica.

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Las propiedades mecánicas del cristal de cuarzo actúan como un resonador de muy alto Q. El efecto de esto se convierte de nuevo en el dominio eléctrico. El resultado global es que al circuito eléctrico le parece que hay un filtro eléctrico de muy alto Q.

En cualquier diseño de circuito electrónico es útil ver el circuito equivalente del cristal para poder completar el diseño electrónico correctamente. El circuito equivalente normal para el resonador de cristal de cuarzo se da a continuación.

Usos del cristal de cuarzo

Los cristales de cuarzo se utilizan principalmente en dos formas de aplicación: como elemento resonante en osciladores y en filtros. En ambas aplicaciones, el altísimo Q del resonador de cristal de cuarzo permite alcanzar niveles de rendimiento muy elevados, y por ello se utilizan en muchos diseños de circuitos generales para relojes de bajo coste, así como en aplicaciones de diseño de circuitos de RF más exigentes.

A continuación se describen con más detalle algunos de los usos de estos componentes electrónicos junto con sus abreviaturas:

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Osciladores: El elevado Q del cristal de cuarzo hace que los osciladores que lo utilizan puedan ofrecer niveles muy altos de precisión y estabilidad. Hay varias opciones para las formas en que los resonadores de cuarzo pueden ser utilizados en un diseño electrónico, dependiendo de los requisitos de rendimiento y las restricciones de costes.

• Oscilador de cristal - XO: Los resonadores de cuarzo pueden utilizarse de forma muy sencilla en un circuito oscilador simple. Como los resonadores de cuarzo básicos son relativamente baratos, a menudo se utilizan como resonador para aplicaciones en las que son el resonador dentro de un oscilador de reloj para un microprocesador, por ejemplo.

Por lo general, los requisitos de precisión de estos osciladores no son excesivamente altos y, por tanto, los costes pueden mantenerse al mínimo utilizando un cristal de cuarzo. Cuando se utilizan en estas aplicaciones, los cristales de cuarzo son más baratos que muchas otras soluciones que no tendrían el mismo rendimiento. Obviamente, los osciladores de cristal directos se utilizan también en muchas otras áreas.

Oscilador de Cristal Controlado por Tensión - VCXO: Para algunas aplicaciones puede ser necesario un pequeño grado de cambio de la frecuencia del oscilador. Un VCXO u oscilador de cristal controlado por tensión es relativamente fácil de construir.

Los circuitos son sencillos y generalmente implican el uso de un voltaje variable para conducir un diodo varactor en el circuito de cristal. El cambio en la reactancia del varactor modifica la frecuencia de resonancia global del cristal y sus circuitos asociados.

Sin embargo, en vista de la alta Q del resonador de cristal, sólo son posibles cambios relativamente pequeños en la frecuencia. Estos circuitos se pueden construir o están disponibles como módulos comerciales.

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Oscilador de cristal con compensación de temperatura (TCXO): Una de las principales causas de cambio de frecuencia de un oscilador de cristal es el cambio de temperatura. Cuando se requiere más estabilidad de frecuencia de la que puede proporcionar un oscilador estándar, entonces un TCXO, Oscilador de Cristal Compensado por Temperatura, es una opción.

Como su nombre indica, esta forma de oscilador aplica la compensación de temperatura al oscilador. Aunque no tienen el mismo rendimiento que un oscilador de cristal controlado por horno, son capaces de proporcionar niveles muy altos de estabilidad y rendimiento para muchos diseños de circuitos.

Oscilador de cristal controlado en horno - OCXO: Cuando se requieren los niveles más altos de estabilidad de frecuencia, la mejor opción es un oscilador de cristal controlado en horno. Se denomina OCXO: Oscilador de Cristal Controlado por Horno, esta forma de oscilador de cristal mantiene el cristal y sus circuitos asociados en un "horno" de temperatura controlada.

Este funciona a una temperatura superior a la del ambiente y se mantiene a una temperatura constante mientras el oscilador está funcionando. De este modo, se minimizan los cambios resultantes de los cambios de temperatura.

Filtros: La otra aplicación principal de los resonadores de cristal de cuarzo es en los filtros. En este caso, el resonador se utiliza en un circuito que sirve para aceptar las señales deseadas y rechazar las no deseadas. Los elevados niveles de Q que se pueden alcanzar con el cuarzo hacen que estos filtros sean de muy alto rendimiento.

Los filtros de cristal de cuarzo pueden estar formados por un solo cristal, pero se pueden fabricar filtros más sofisticados que ofrezcan un nivel de rendimiento mucho mayor utilizando seis o incluso ocho cristales. Dado que estos filtros requieren experiencia y un diseño avanzado de circuitos de RF, suelen obtenerse como módulos de filtrado, aunque muchos son fabricados por los propios fabricantes/diseñadores finales.

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Ventajas e inconvenientes de los cristales de cuarzo

La tecnología de los cristales de cuarzo ofrece muchísimas ventajas, pero frente a esto también hay algunos otros puntos que hay que poner en la ecuación cuando se considera su uso:

Ventajas de los resonadores de cristal de cuarzo:

Resonador de muy alto Q: El Q de un cristal de cuarzo es muy alto. Esto a su vez se refleja en términos de varias ventajas:

• Señal muy estable cuando se utiliza en un oscilador.
• Bajos niveles de ruido de fase cuando se utiliza en un oscilador.
• Cuando se utiliza en un filtro es posible alcanzar niveles muy altos de selectividad. Los filtros de cristal son capaces de proporcionar un excelente rendimiento y ofrecen algunas de las mejores opciones para los filtros afilados dentro de una variedad de aplicaciones.

Bajo coste: Los cristales básicos están disponibles a un coste muy razonable. Su uso puede resultar a menudo en un reloj u otra fuente más barata cuando se utiliza como resonador. Los resonadores de cristal de cuarzo de alta especificación obviamente cuestan más.

Desventajas de los resonadores de cristal de cuarzo:

• Tamaño: Un cristal depende de las vibraciones mecánicas para su comportamiento resonante. Por ello, su tamaño no puede reducirse fácilmente y pueden ser grandes en comparación con otros componentes SMT. No obstante, los nuevos cristales con tecnología de montaje superficial ya están disponibles en paquetes muy pequeños.
• Soldadura: En vista de su rendimiento, la soldadura debe realizarse con cuidado, respetando las temperaturas máximas y los tiempos de soldadura.
• Frecuencia fija: Aunque también puede ser una ventaja, un cristal tiene sus propias frecuencias naturales de resonancia. Una vez elegida y fabricada

Como cualquier tecnología, estos componentes electrónicos tienen sus aspectos positivos y negativos. Comprender estos aspectos y las ventajas que aportan puede permitir sacarles el máximo partido en la fase de diseño electrónico.

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Línea de tiempo del cristal de cuarzo y los osciladores

Desde los primeros indicios del efecto piezoeléctrico y de la acción de los cristales de cuarzo, su desarrollo ha tardado muchos años en llegar a la fase en la que se encuentra actualmente.

Las primeras investigaciones demostraron el efecto, y pasaron algunos años antes de que se desarrollara la tecnología de la radio y se pudiera demostrar la acción de los resonadores de cristal de cuarzo o xtales y luego perfeccionarla.

Cómo se fabrican los resonadores de cristal de cuarzo

Los resonadores de cristal de cuarzo se fabrican en grandes cantidades. El proceso de fabricación comienza con el silicio en bruto que se convierte en cuarzo sintético y a partir de ahí se fabrican los resonadores de cristal de cuarzo individuales. Una vez fabricados los cristales de cuarzo básicos, se recortan y se encapsulan.

En algunas áreas del proceso de fabricación de resonadores de cristal de cuarzo, algunos elementos guardan cierta similitud con el de la fabricación de semiconductores, aunque los productos que se fabrican son muy diferentes.

En el proceso de fabricación de cristales de cuarzo se utilizan procesos como el grabado, la deposición y otros similares.

Especificación de los resonadores de cristal de cuarzo

A la hora de elegir un resonador de cristal de cuarzo para el diseño de un circuito general o de un circuito de radiofrecuencia, hay que seleccionar muchos parámetros. Muchos de ellos son específicos del funcionamiento del cristal y no se ven normalmente con otros componentes electrónicos.

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Normalmente, los fabricantes exigen una serie de parámetros, a menudo establecidos en un formulario específico, antes de poder fabricar y suministrar el elemento de cristal necesario.

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Las decisiones sobre los distintos parámetros que deben seleccionarse pueden depender de otros componentes electrónicos del circuito o del diseño electrónico general.

Comprender los distintos parámetros que hay que seleccionar y la forma en que pueden afectar al diseño electrónico y a la selección de otros componentes electrónicos garantiza que se tomen las decisiones correctas.

Los resonadores de cristal de cuarzo se utilizan ampliamente en la industria electrónica. Pueden utilizarse en osciladores de cristal de cuarzo y filtros de cristal, donde proporcionan niveles de rendimiento excepcionalmente altos.

Además, los elementos de bajo coste con especificaciones de tolerancia más bajas se utilizan ampliamente en osciladores de cristal para relojes de placas de microprocesadores, donde se utilizan como elementos de resonancia baratos. Sea cual sea su uso, un resonador de cristal de cuarzo proporciona un nivel de rendimiento excepcionalmente alto para el coste de su producción.

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