Operación De Sobretono Del Resonador De Cristal De Cuarzo

A menudo es necesario hacer funcionar los resonadores de cristal de cuarzo a frecuencias muy altas para algunos diseños de RF; a veces es necesario poder utilizar el alto Q y el rendimiento de los cristales de cuarzo a altas frecuencias.

El uso de un modo de funcionamiento de sobretono para el resonador de cristal de cuarzo permite que el componente electrónico funcione a frecuencias muy altas sin dejar de ser robusto y fácil de fabricar.

Razón para utilizar el funcionamiento de sobretono para los cristales de cuarzo

Los cristales de cuarzo utilizan las resonancias mecánicas del elemento de cuarzo para proporcionar los altos niveles de Q y el rendimiento general. Esto está vinculado al circuito eléctrico como resultado del efecto piezoeléctrico.

A medida que aumentan las frecuencias de funcionamiento, el hecho de que las resonancias mecánicas determinen la frecuencia de funcionamiento significa que los espacios en blanco de cuarzo se hacen más pequeños.

Aunque las técnicas de fabricación han mejorado enormemente en los últimos años, se sigue constatando que, a medida que aumentan las frecuencias, se incrementa el coste de procesar piezas en bruto que son muy finas y aumentan los índices de rechazo/fallos.

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Funcionamiento de los cristales de cuarzo con sobretono

Aunque el método más obvio para utilizar un resonador de cristal de cuarzo es hacerlo funcionar a su frecuencia fundamental, el funcionamiento de un cristal en su modo de sobretono ofrece algunas ventajas claras.

Las frecuencias de sobretono se sitúan en torno a tres, cinco, siete, etc. veces la frecuencia fundamental. Esto significa que las piezas brutas de cristal de cuarzo pueden tener una frecuencia fundamental mucho menor que la frecuencia de funcionamiento final prevista, lo que hace que las piezas brutas sean mucho más fáciles de fabricar y mucho menos frágiles.

En el caso de un cristal tallado en AT, estos modos de sobretono se encuentran casi en el número de sobretono que es la frecuencia de la fundamental. De hecho, la frecuencia real del sobretono es más parecida a la frecuencia fundamental del modo en serie multiplicada por el número de sobretono.

También hay que recordar que los cristales pueden tener muchos otros modos de funcionamiento que pueden ser ejercidos. Estos modos no son deseados y pueden ser excitados en menor o mayor grado por diferentes circuitos. Hay que tener cuidado especialmente cuando se utilizan cristales en circuitos digitales no sintonizados, ya que los modos no deseados pueden dominar inesperadamente. Cualquier sintonización tenderá naturalmente a suprimir estos modos no deseados.

Las principales aplicaciones de los cristales de sobretono son para frecuencias superiores a 30 MHz y más. En este caso, los cristales suelen vibrar en un modo de cizalladura de espesor y los cristales pueden ser excitados en sobretonos fundamentales o impares.

Se ha comprobado que la capacidad de movimiento C1n de un cristal de sobretono disminuye. Sigue una ley aproximada en la que la capacitancia para el enésimo sobretono es la capacitancia para el fundamental dividida por el cuadrado del número del sobretono.

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Cuando se piden cristales para operar en modo de sobretono, esto debe ser especificado al fabricante para que el blanco pueda ser conectado a tierra para operar correctamente en la frecuencia requerida. A menudo, los fabricantes tienen un formulario de pedido específico para los cristales, y una de las preguntas que hay que responder es si el cristal debe funcionar en modo de sobretono.

Circuitos para osciladores de cristal de sobretono

Cuando se utiliza un cristal en su modo de sobretono, es fundamental que el diseño del circuito electrónico garantice que el cristal de cuarzo funcione en su modo de sobretono y no funcione en su fundamental y en un armónico requerido seleccionado posteriormente.

La razón de esto es que el armónico de la fundamental y la frecuencia del cristal que opera en su modo de sobretono serán ligeramente diferentes. Esto puede suponer una diferencia significativa en algunos casos.

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Para superar esto, el diseño de RF para el circuito debe incorporar un circuito sintonizado que asegure que la retroalimentación en el oscilador ocurre en la frecuencia de sobretono, y rechaza la frecuencia fundamental. Esto garantizará que el oscilador funcione a la frecuencia de sobretono y no a la fundamental.

Los cristales de cuarzo de sobretono son muy útiles en muchas aplicaciones de diseño de RF u otras aplicaciones de diseño de circuitos electrónicos generales en las que se requiere la estabilidad y el rendimiento de un oscilador de cristal a una frecuencia superior a la que se puede conseguir cómodamente utilizando un cristal de modo fundamental estándar. En estos casos, el coste del cristal de sobretono es mucho menor que el de un cristal de cuarzo que se fabricaría para operar en modo fundamental a la alta frecuencia necesaria.

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