Cuarțul
Cuarțul e o varietate de dioxid de siliciu, SiO2, fiind compus din două elemente, siliciu și oxigen. În forma sa amorfă, SiO2 este constituentul major al multor roci și nisip. Forma de SiO2 cristalină sau cuarț este relativ abundentă în natură, dar în starea foarte pură nu e disponibilă cantitatea necesară pentru fabricarea dispozitivelor de control al frecvențelor. Oferta limitată și costul ridicat al cuarțului natural au dus la dezvoltarea unei industrii de producere a cuarțului sintetic. Cuarțul e un sistem de cristal cu simetrie (sistem 32), care prezintă proprietăți piezoelectrice, ce reprezintă baza de funcționare a produselor electromecanice.
Cu valoarea ridicată a factorului de calitate intrinsec (Q), rezonatorul și oscilatorul pe bază de cuarț sunt cele mai utilizate pe scară largă ca sursă de semnal de referință în circuitele bazate pe control prin frecvență. Produsele ce folosesc cuarț pentru controlul frecvenței pot fi clasificate în (1) dispozitive bazate pe vibrații (unde) în masă, cum ar fi cristale/rezonatoare, filtre cristaline monolitice și oscilatoare de ceas și (2) dispozitive cu vibrații (unde) la suprafață, cum ar fi rezonatoare SAW și filtre SAW (Surface Acoustic Wave − SAW). În loc de vibrația în masă a cristalului de cuarț, dacă e realizată o vibrație cu o lungime de undă mai scurtă (cu frecvență mai mare) propagarea undelor se face pe suprafață, între electrozii plasați pe aceeași față a materialului de cuarț. O bucată de cristal de cuarț într-o orientare specifică, formă și dimensiuni este denumită placă de cristal blank. O astfel de placă din cristal de cuarț cu doi electrozi metalici depuși pe ambele părți și protejată într-o capsulă suport este o unitate de cristal (rezonator cu un port). Prin încorporarea rezonatoarelor din cristal cu un port ca elemente de impedanță, pot fi obținute filtre de bandă bazate pe cristal. Prin încorporarea rezonatorului de cristal într-un anumit circuit electric, s-ar putea obține diferite tipuri de oscilatoare cu cristal de ceas (CXO), Oscilator Pierce, Oscilator Colpitts, Oscilator simplu încapsulat, Oscilator controlat cu tensiune, Oscilator compensat la variații de temperatură, Oscilator cu termostat controlat și altele.
https://txccrystal.com/term.html
www.autodesk.com/products/eagle/blog/piezoelectricity
Seria Jauch JXS — Aplicații: de consum și industriale. Stabilitate ± 10ppm. Capsule standard 2016, 2520, 3225, 5032, 7050. Ecranare EMI. Frecvențe tipice: 16.0 MHz, 19.2 MHz, 20.0 MHz, 24.0 MHz, 26.0 MHz, 30.0 MHz, 32.0 MHz, 38.4 MHz, 40.0 MHz, 48.0 MHz.
Seria Jauch JXS-WA — Aplicații fără fir RF și IoT. Stabilitate înaltă a frecvenței. ESR foarte scăzut. Capsule standard 2016, 2520, 3225. Frecvențe tipice 24.0 / 26.0 / 32.0 / 37.40 / 38.40 sau 40.0 MHz de RF-ASIC-uri pentru Bluetooth low (BLE), Bluetooth Smart, Zigbee, ISM, LoRa, aplicații IoT.
Piezoelectricitatea
Piezoelectricitatea este un subiect complex, implicând conceptele avansate de electricitate și mecanică. Cuvântul piezoelectric (din limba greacă “piezein” = a apăsa) înseamnă literalmente presiune și electric. Anumite clase de materiale piezoelectrice vor reacționa, în general, la orice solicitare mecanică prin producerea unei sarcini electrice. Există și efectul contrar, prin care o tensionare mecanică este produsă în cristal printr-un câmp electric polarizant. Această proprietate dă efectul de bază ce produce vibrația unui cristal de cuarț. Rezonatorul de cuarț constă dintr-o piesă (plachetă) de material piezoelectric precis dimensionată și orientată în raport cu axele cristalografice. Pe această plăcuță sunt una sau mai multe perechi de electrozi conductivi, formați prin evaporare de metale în vid.
Seria Jauch JXG — SMD în sticlă. Gama de temperatură în electronica auto. AT-Cut, frecvențe reduse la cerere. Calificare AEC-Q200. Varianta HMR cu rezistență la șoc și vibrații extinse (3000 g).
Seriile Jauch SMU și SMC — SMD în capsula metalică. Frecvența sau o rezistență la rezonanță foarte scăzute. Seria SMU în aplicații industriale și auto (+125°C). Producție în masă, preț mic. Seria SMC la specificațiile clientului.
Când un câmp electric este aplicat între electrozi, efectul piezoelectric excită placheta în vibrații mecanice. Multe substanțe diferite au fost investigate ca rezonatoare posibile, dar de mulți ani, cuarțul a fost mijlocul preferat pentru generarea precisă a frecvenței. Comparat cu alte rezonatoare, de exemplu circuite LC, rezonatoare mecanice, rezonatoare ceramice și materiale cu un singur cristal, rezonatorul bazat pe cuarț s-a dovedit a avea o combinație unică de proprietăți. Cristalul de cuarț are proprietăți extrem de stabile și repetabile. Pierderea acustică sau fracțiunea de pierdere de energie internă în cuarț este deosebit de scăzută, ceea ce duce la un rezonator având un factor de calitate Q extrem de ridicat. Q intrinsec în cuarț este de 107 la 1 MHz.
(Q mai mare indică o rată mai scăzută de pierdere de energie în raport cu energia stocată a rezonatorului; oscilațiile durează mai mult).
Rezonatorii montați au în mod obișnuit factori Q cu ordine de mărime care variază de la zeci de mii la sute de mii, mai ridicate decât cele mai bune circuite LC. A doua proprietate cheie este stabilitatea frecvenței raportată la variațiile de temperatură. Îmbătrânirea rezonatorului cu cuarț este legată de stabilitatea mecanică a componentelor mecanice. Stabilitatea pe termen scurt și lung se manifestă în drifturi de frecvență de doar câteva părți pe milion (ppm) pe an și este asigurată chiar și la componentele din produse comerciale. Unitățile de cristal de precizie, fabricate în condiții strict controlate, sunt depășite doar de ceasurile atomice în stabilitatea și precizia frecvenței obținute.
Notă. Efectul piezoelectric
În anul 1880, Pierre și Jacques Curie au demonstrat că un potențial electric a fost generat atunci când unele cristale au fost comprimate, și anume piezoelectricitatea. În 1881, au demonstrat efectul invers: cristalele ar putea fi făcute să se deformeze atunci când sunt supuse unui câmp electric.
Primul oscilator controlat, utilizând un cristal de sare Rochelle, a fost construit în 1917 și patentat în 1918 de Alexander M. Nicholson la Bell Telephone Laboratories. Walter Guyton Cady a construit primul oscilator cu un cristal de cuarț în 1921. Alți inovatori timpurii în oscilatoarele cu cristale de cuarț includ G. W. Pierce și Louis Essen. În anii 1950 a început să se utilizeze efectul piezoelectric și în aplicațiile de detectare industrială.
Axele X-Y ale unui cristal piezoelectric și tehnica de tăiere hotărăsc caracteristicile. Direcția perpendiculară pe cea mai mare față, este axa de tăiere.
Dacă se aplică o solicitare electrică în direcțiile unei axe electrice (axa X), se produce o întindere mecanică în direcția axei Y, care este perpendiculară pe axa X relevantă. În mod similar, dacă se aplică o tensiune mecanică de-a lungul axei Y, se vor produce sarcini electrice pe fețele cristalului, perpendiculare pe axa X care se află în unghi drept față de axa Y. Unele dintre materialele care au efectul piezoelectric sunt cristalul de cuarț, sarea Rochelle, titanatul de bariu și altele. Principalele avantaje ale acestor cristale sunt că acestea au o capacitate ridicată de funcționare mecanică și stabilitate termică, capacitatea de a suporta solicitare repetată extrem de mult timp, pierderi intrinseci scăzute și un răspuns bun în frecvență. Axele X-Y ale unui cristal piezoelectric și tehnica sa de tăiere este prezentată în figura de mai jos. Direcția, perpendiculară pe cea mai mare față, este axa de tăiere.
Seria Jauch PIN • FULL METAL — Frecvența sau o rezistență la rezonanță foarte scăzute. HC49/U, MQ1 și MQ5 produse în cantități mici, la specificațiile clientului. SS2, SS3 și SS4 aplicații industriale și auto (+125°C).
Seria Jauch PIN • TUNING FORK — Rezistență rezonantă scăzută. Aplicații cu baterii. Ieftine, montare manuală. Dimensiuni 6.0×2.0mm. 28.0 ~ 80.0 kHz la cerere,
Ce face cuarțul așa de important
Modul în care o plachetă de cristal este tăiată din cristalul de cuarț principal are un impact major asupra proprietăților sale. Materialul piezoelectric se taie pentru a produce unul din cele trei moduri de funcționare (de vibrație mecanică) principale: Transversal, Longitudinal, Forfecare.
Caracteristica de tăiere AT este cel mai frecvent tip utilizat pentru un cristal de rezonator. E cea mai obișnuită tăiere, dezvoltată în 1934. Placheta conține axa cristalului X și e înclinată cu 35°15′ față de axa Z (optică). Curba frecvență-temperatură este o curbă sinusoidală cu punct de inflexiune la aproximativ 25-35°C.
Are o frecvență constantă de 1.661 MHz. Cele mai multe dintre toate cristalele (estimat la peste 90%) sunt această variantă. Folosit pentru oscilatoare care funcționează în domeniul de temperaturi mai mari, pentru domeniul de la 0.5 la 200 MHz; utilizat, de asemenea, în oscilatoare controlate prin termostat de încălzire. Semifabricatele de cristal sunt tăiate în această orientare pe axele cristaline și apoi semifabricatul este prelucrat și finisat la dimensiunea necesară. Are un coeficient de temperatură − frecvență descris printr-o funcție cubică a temperaturii, care poate fi controlat precis prin variații mici ale unghiului de tăiere. Acest comportament după o funcție cubică e în contrast cu cele mai multe tăieturi de cristal care dau o caracteristică de temperatură parabolică.
Tăietura AT e potrivită pentru aplicații care necesită un grad ridicat de stabilitate de frecvență pe intervale largi de temperatură. Alte caracteristici importante sunt îmbătrânirea și factorul de calitate Q.
Influența temperaturii
Temperatura influențează frecvența de operare a cuarțului. Se folosesc diferite forme de compensare, de la compensarea analogică (TCXO) și compensarea cu microcontroler (MCXO), la stabilizarea temperaturii într-o incintă (cuptor termostatat) în care se află cristalul de cuarț (OCXO).
OCXO e cel mai performant tip dintre oscilatoarele comandate de un cristal de cuarț, în detrimentul puterii. OCXO este o abreviere a Oscilatorului X-tal controlat prin încălzire.
Chiar și ceasurile atomice conțin de obicei un OCXO care să ofere stabilitate pe termen scurt și termen lung. Acest lucru este important dacă dispozitivul va fi utilizat ca referință de frecvență. Cristalul de cuarț este plasat într-un dispozitiv ca un cuptor încălzit și controlat cu mare precizie, la o temperatură care corespunde sau se potrivește cu punctul de cotitură superior (în grafic: linii albastre = minim local pentru tăieturi AT, linii roșii = maxim local pentru tăieturile SC)
Un dezavantaj evident al OCXO este consumul lor mai mare de energie și, prin urmare, le face nepotrivite pentru aplicații cu baterie. Spre deosebire de XO și TCXO care ajung la stabilitatea lor de frecvență specificată imediat după pornire, OCXO necesită un timp de încălzire de câteva minute înainte de a atinge stabilitatea sa de temperatură specificată. Din grafic putem observa că OCXO trebuie să se deplaseze cu aproximativ 20 până la 30 ppm de la temperatura camerei înainte de atingerea temperaturii optime de lucru, care este, de obicei, în jur de +85°C. Consumul de energie este mai mare în timpul perioadei de încălzire, dar se reduce când OCXO a atins starea de funcționare stabilă. Consumul de energie este invers proporțional cu temperatura exterioară. Difuzarea internă a puterii OCXO necesită utilizarea cristalului la o temperatură ușor mai mare decât temperatura maximă de funcționare a OCXO, deoarece atunci când temperatura exterioară depășește temperatura maximă de funcționare, regulatorul cuptorului încetează să funcționeze și OCXO va urma dependența de temperatură proprie a cristalului de cuarț.
Moduri de vibrații, tăiere și intervale de frecvență
Rezonatorul cu tăiere AT folosește modul de vibrație prin modul forfecare. O deplasare a undelor e configurată în semifabricatul de cristal prin reflexia între ambele suprafețe majore. Deplasarea mecanică majoră se află în planul cristalului, în unghi drept față de direcția de propagare a undelor (ca o forfecare). La rezonanță, un număr impar de lungimi de jumătate de undă sunt cuprinse în planul grosimii cristalului gol. Prin urmare, grosimea plachetei de cristal determină frecvența primară. Tăieturile AT sunt în mod obișnuit fabricate în intervalele de frecvență:
• 1 MHz ~ 32 MHz ca fundamentale
• 30 MHz ~ 250 MHz ca secundare (a 3-a, a 5-a, a 7-a, a 9-a)
Sub aproximativ 1 MHz, rezonatorii cu forfecare au grosime prea mare și devin dificil de utilizat, astfel că se apelează la alte moduri de vibrații:
a) sub aproximativ 100 kHz: modul de flexiune sau încovoiere a cristalului
b) la 100 kHz: modul forfecare pe tăieri CT, DT, SL. Pentru fiecare mod de vibrație există un unghi optim de tăiere care controlează deviația de frecvență a cristalului de cuarț în intervalul de temperatură.
Fabricarea cristalelor de cuarț are etapele:
1. tăierea plachetelor
2. șlefuirea plachetelor
3. curățarea plachetelor
4. verificarea orientării plachetelor (măsurători cu raze X)
5. rotunjirea plachetelor (denumite acum blank-uri)
6. curățarea și gravarea spațiilor libere
7. placarea de bază (depunerea în vid a electrozilor − argint sau aur)
8. montarea rezonatorului de cristal în suport (punct de legătură epoxi-argint)
9. ajustarea finală a frecvenței prin depunerea în vid de argint sau aur
10. etanșarea suportului la capsulă (sudură prin rezistență sau sudură rece în atmosferă de azot uscat), împiedicând oxidarea electrodului.
Alte procese în fazele de fabricație sunt:
• curățarea
• cicluri la temperaturi ridicate
• cicluri de coacere în vid
• controlul frecvenței și sortarea.
Curățenia părților, capsule pentru cristal atent proiectate și fabricate, stresul minim asupra rezonatorului și includerea unei atmosfere de azot uscat într-o sigilare ermetică sunt toate foarte importante pentru producția de cristale de cuarț stabile și de calitate ridicată.
Rezonanța. Capacitatea de sarcină
Cristalele au două moduri de rezonanță, paralelă și serie, iar toate cristalele prezintă ambele moduri de rezonanță. Circuitul oscilatorului este calibrat pentru unul sau altul, dar nu pentru ambele. Pentru aplicații care nu necesită precizie de frecvență mai mare de 100 ppm, modul de rezonanță nu contează. Dacă încercați să controlați frecvența (sau timpul) până la 100 ppm, specificația modului de rezonanță, dată de fabricant, devine importantă. Modul în care cristalul este calibrat în timpul fabricației permite stabilirea unui circuit oscilator cu cristalul în rezonanță de serie sau rezonanță paralelă. Multe circuite practice de oscilator fac uz de un condensator de sarcină CL în serie sau paralel cu cristalul de cuarț.
Prezența condensatorului de sarcină schimbă frecvența de lucru a cristalului cu o valoare în funcție de valoarea CL și valoarea lui Cp și Cs.
Capacitatea de sarcină (încărcare) CL este o specificație importantă atunci când se utilizează modul de oscilare în paralel. Modul de rezonanță paralelă este întotdeauna peste frecvența de rezonanță în serie și este caracterizat prin reactanță inductivă. În modul de oscilare prin rezonanță în paralel, inductanța cristalului (inductivitatea de mișcare) este în paralel cu capacitatea de sarcină externă a oscilatorului, formând un circuit LC care determină frecvența oscilatorului. Cristalul este calibrat în fabrică folosind aceeași capacitate de încărcare. Cu un cristal rezonant în serie, puteți ignora specificația capacității de încărcare. Acest lucru este adevărat deoarece inductivitatea de mișcare a cristalului și capacitatea mișcării sunt singurele componente LC care determină frecvența oscilațiilor.
Antirezonanța apare atunci când componenta inductivă netă a modelului de cristal rezonează cu capacitatea internă a suportului cristalului. Anti-rezonanța nu este utilizată pentru proiectarea oscilatorului.
www.jauch.com/en-INT/products/frequency_control_components
Constantin Savu
Director General, Ecas Electro
Ecas Electro (www.ecas.ro) este distribuitor autorizat al produselor Jauch
Detalii comerciale: birou.vanzari@ecas.ro
Detalii tehnice: Ing. Emil Floroiu | emil@floroiu.ro
ECAS Electro | www.ecas.ro