Cortes de Cristal de Quartzo: AT, BT, SC, CT . .
O ângulo dos eixos do cristal principal no qual um bloco de cristal é cortado tem um grande impacto em seu desempenho: estabilidade de frequência, atividade, Q, coeficiente de temperatura, etc.
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Tutorial sobre Cristais de Quartzo, inclui:
Cristais de quartzo: xtals | O que é quartzo | Como um cristal funciona | Operação da sobretensão do cristal | Puxamento da frequência do cristal de quartzo | Cortes de cristal de quartzo | Envelhecimento do quartzo | Fabricação de ressonadores de cristal | Como especificar um cristal de quartzo | VCXO | TCXO | OCXO | Filtro de cristal | Filtro de cristal monolítico | Ressonador e filtro cerâmico | Especificações do filtro cerâmico
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Observando as especificações dos ressonadores de quartzo, muitas vezes é feita menção ao corte do cristal de quartzo. Termos como corte AT, corte CT e corte SC aparecem e têm grande relevância para a operação do cristal.
Ao definir a especificação de um determinado cristal para um projeto de circuito de RF ou outra aplicação, geralmente é necessário definir qual corte de cristal de quartzo é necessário. Selecionar o corte correto pode ter um grande impacto no desempenho.
O corte do cristal de quartzo tem um grande impacto em muitos aspectos da operação do ressonador de cristal e é crítico na obtenção do desempenho necessário. Entender o que é o corte do cristal e como ele afeta a operação é fundamental para obter o desempenho geral correto.
Diferentes cortes são usados em diferentes projetos eletrônicos
Cortes de cristal: o básico
Um cristal de quartzo tem uma estrutura complicada, mas que é a mesma para todos os cristais. Os diferentes cortes do cristal de quartzo são definidos em relação aos eixos principais do cristal: eixos x, y e z.
Há um número infinito de maneiras que isso pode ser cortado em relação aos eixos x, y e z de um cristal em branco, mas ao longo dos anos as propriedades de diferentes cortes foram investigadas e foram descobertos alguns específicos que maximizam as propriedades para dadas aplicações e projetos de circuitos eletrônicos.
O cristal de quartzo é anisotrópico como outros materiais piezelétricos. Isso significa que muitas de suas propriedades, incluindo suas propriedades mecânicas, elétricas e ópticas, dependem do eixo da rede cristalina principal.
Consequentemente, o ângulo do modo como o cristal de quartzo é cortado do cristal principal define muitas das propriedades do ressonador de cristal de quartzo final. Modo de flexão do modo principal, coeficiente de temperatura, propriedades de envelhecimento, estabilidade de frequência, Q, nível de atividade e similares.
Os vários “cortes”, como são chamados, têm vários nomes, sendo alguns populares em algumas aplicações, outros amplamente utilizados em outras. Além disso, alguns cortes caíram no esquecimento, pois novos foram introduzidos ao longo dos anos.
Alguns dos cortes básicos incluem aqueles cortados ao longo dos eixos. Os cortes são rotulados de acordo com o plano ao qual são perpendiculares.
Esses cortes raramente são usados hoje em dia, pois outros cortes foram encontrados para fornecer níveis muito melhores de desempenho para aplicações modernas.
Dos cortes usados para aplicações de RF e relógio atuais, os cortes AT, BT e SC são de longe os mais importantes.
Desenvolvimento de cortes de cristais de quartzo
Cristais de quartzo foram amplamente utilizados para transmissores no início dos anos 1920 e 1930. Eles forneceram uma melhoria significativa na estabilidade em relação aos osciladores LC que, de outra forma, seriam usados. Mesmo quando os osciladores LC foram otimizados para estabilidade, os cristais de quartzo foram significativamente melhores.
Durante o final da década de 1920, vários grupos na América, Alemanha e Japão descobriram que o coeficiente de temperatura do corte Y, amplamente utilizado naqueles primeiros dias, poderia ser significativamente melhorado e poderia até mesmo se tornar zero em algumas temperaturas.
Pesquisas significativas foram realizadas para desenvolver esses componentes eletrônicos e, em vista das capacidades limitadas em comparação com as que temos hoje, levou tempo para desenvolvê-los.
Em 1934, Lack e Willard, trabalhando nos Laboratórios Bell, desenvolveram o cristal lapidado AT e publicaram um artigo na edição de julho de 1934 do Bell Labs Journal intitulado: “algumas melhorias nos elementos do circuito de cristal de quartzo”.
Outro de seus desenvolvimentos foi o cristal lapidado BT, que também tinha muitas boas propriedades, mas não se tornou tão amplamente utilizado.
O cristal de quartzo com corte AT até hoje é o tipo mais utilizado, embora o cristal de quartzo com corte SC tenha surgido na década de 1970 para uso em fornos de cristal e similares. Foi proposto pela primeira vez pelo Dr. Holland em 1974. Um artigo posterior em 1975 por E. EerNisse do US Army Signal Corps previu que um ressonador com coordenadas de φ = 22,5° e θ = -34,3° produziria um ressonador com mudança de frequência mais baixa devido ao estresse mecânico. Isso deu origem ao nome SC para tensão compensada.
Resumo dos principais cortes de cristal
É possível definir um número infinito de cortes de cristal. No entanto, alguns definiram propriedades que são particularmente úteis e esses cortes receberam nomes específicos.
- Corte AT: O corte AT para cristais de quartzo é geralmente usado para frequências entre 0,5 e 300MHz e possui um modo de vibração de cisalhamento de espessura.É o corte mais amplamente utilizado e é particularmente usado para instrumentos eletrônicos, etc., onde os osciladores devem funcionar na faixa de 500 kHz a cerca de 300 MHz, embora o limite superior esteja aumentando à medida que a tecnologia se desenvolve.Em vista de sua popularidade e uso generalizado, mais detalhes do corte AT podem ser vistos abaixo.
- Corte BT: Este é outro corte semelhante ao corte AT que vibra com um modo de cisalhamento de espessura e é frequentemente usado para frequências de 0,5 a 200 MHz.Ele usa um ângulo diferente: 49° do eixo z. Ele fornece características repetíveis e tem uma constante de frequência de 2,536 MHz/mm. No entanto, as características de estabilidade de temperatura não são tão boas quanto o corte AT, mas pode ser usado para operação de frequência mais alta mais facilmente como resultado de sua constante de frequência mais alta.
- Corte GT: O corte GT para cristais de quartzo é geralmente usado para frequências entre cerca de 0,1 e 2,5 MHz e usa um modo de vibração de extensão de largura.É cortado em um ângulo de 51° 7′, tem um coeficiente de temperatura de quase zero entre +25 e +75°C como resultado do efeito dos dois modos de vibração com diferentes coeficientes de temperatura que se anulam.
- Corte IT: Este corte usa um modo de cisalhamento de espessura e é usado para frequências entre cerca de 0,5 e 200 MHz.Este corte de cristal é muito semelhante ao SC. No entanto, com fornos de cristal que precisam trabalhar na faixa de 80 – 90°C, essa opção permitiu superar as dificuldades de usar o SC nessas temperaturas. O corte IT tem um ponto de virada superior entre 85 e 105°C, mas não compartilha o nível mais baixo de sensibilidade ao estresse mecânico do SC.
- Corte SC: Este corte de cristal é usado para frequências entre cerca de 0,5 e 3200 MHz.Este corte foi desenvolvido no final dos anos 1970 especialmente para uso em fornos de cristal de precisão, mas requer um processo de fabricação mais complicado porque é necessária uma rotação de ângulo duplo junto com lapidação de precisão posteriormente.Mais detalhes deste corte são dados a seguir, dada a sua importância.
- Corte XY: Este corte é essencialmente um formato de corte de cristal usado para aplicações de baixa frequência para frequências tipicamente entre cerca de 5 e 100 kHz. Ele usa um modo de flexão comprimento-largura.Este corte de cristal é amplamente utilizado para baixas frequências onde uma frequência comum é 32,768 kHz. Tem as vantagens de ser muito pequeno para a frequência, é mais barato do que outros tipos de cristal de baixa frequência e, além disso, possui baixa impedância e baixa relação Co/C1.
Corte de cristal de quartzo AT
O corte AT é o mais amplamente utilizado, principalmente para instrumentos eletrônicos, sistemas de rádio, relógios de microprocessadores e uma série de outras aplicações em que os osciladores devem operar na faixa de 500 kHz a cerca de 300 MHz. O limite superior está aumentando à medida que a tecnologia se desenvolve. No entanto, as frequências superiores geralmente operam em modo harmônico porque o cristal se torna muito fino em altas frequências.
Este cristal de quartzo é cortado em um ângulo de 35° 25′ em relação ao eixo Z, conforme mostrado. Os blocos de cristal são cortados nesta orientação para os eixos de cristal e, em seguida, o bloco é usinado e acabado no tamanho necessário.
Uma das vantagens deste corte de cristal de quartzo é o coeficiente de temperatura. Isso torna-se zero a 26°C, e mesmo em ambos os lados é relativamente plano, especialmente quando comparado a outros cortes.
Alterar ligeiramente o ângulo de corte deste valor altera ligeiramente as propriedades, embora para a maioria das aplicações os parâmetros exatos para o corte AT sejam normalmente usados.
Corte de cristal de quartzo BT
o corte de cristal BT foi introduzido na mesma época que o cristal de corte AT. É cerca de 50% mais espesso do que o cristal de corte AT equivalente e ainda usa um modo de cisalhamento de espessura.
No entanto, sendo mais espesso, isso resulta em um cristal mais espesso e, portanto, mais robusto em frequências mais altas – como seria de esperar, os cristais se tornam mais finos com o aumento da frequência.
No entanto, tem a desvantagem de ter características de temperatura mais pobres do que os cristais de quartzo cortados AT, o que resulta da constante de frequência mais alta. Mesmo assim, os cristais de corte BT são usados para aplicações de frequência mais alta, especialmente onde a operação na frequência fundamental é necessária em vez da operação de harmônicos.
SC cristal de quartzo cortado
O SC usado para descrever esse tipo de corte de cristal de quartzo significa “compensação de tensão”. Foi desenvolvido especialmente para uso em fornos de cristal de precisão, onde alguns dos principais requisitos são baixa sensibilidade ao estresse térmico e mecânico.
Outro fator importante é que os cristais de corte SC fornecem boas características de envelhecimento e ruído de fase. Características que normalmente são necessárias para osciladores de cristal controlados por forno, OCXOs.
Este corte usa uma rotação dupla para os eixos básicos: 35°15′ e 21° 54′. Embora forneça excelentes características de envelhecimento e estabilidade, bem como um excelente desempenho de ruído de fase, tem um ESR mais alto e também é mais suscetível a ressonâncias espúrias.
Uma das dificuldades com o corte SC é que ele cria dificuldades durante a fabricação porque a exigência de ângulos compostos como os usados no corte SC aumenta o custo em termos de medição dos ângulos e manutenção deles durante os processos subsequentes de lapidação e polimento. As tolerâncias para o corte SC são apertadas. Eles normalmente requerem uma tolerância de ±10″ em oposição a ±30″ para um corte AT.
Existem muitos cortes de cristal disponíveis. Alguns que estavam disponíveis e usados há muitos anos caíram em desuso porque foram substituídos por cortes superiores que agora estão disponíveis com as técnicas de fabricação mais avançadas.
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