Ressonador de Cristal de Quartzo: Cristais de quartzo, xtals
Às vezes, os ressonadores de cristal de quartzo são chamados de xtals e, como ressonadores, fornecem níveis extremamente altos de Q para osciladores e filtros e são amplamente usados em muitas aplicações de design de circuitos de RF.
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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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Os ressonadores de cristal de quartzo são usados para fornecer elementos ressonantes de Q muito alto em muitos projetos eletrônicos e, particularmente, em muitos projetos de circuitos de RF em osciladores e filtros. Freqüentemente, em um projeto de circuito, esses componentes eletrônicos podem ser referidos como “Xtals” e as referências de projeto de circuito a eles podem ser dadas como xtal1, etc.
Os cristais de quartzo podem ser baratos de produzir, embora ofereçam desempenho excepcional e possam ser usados para tudo, desde projetos eletrônicos para osciladores de relógio de microprocessador até filtros de alto desempenho, osciladores controlados por forno altamente estáveis, osciladores de cristal com compensação de temperatura e muitos outros projetos gerais e de circuitos de RF.
Como o nome indica, os ressonadores de cristal de quartzo são feitos de quartzo, que é uma forma natural de silício. No entanto, a maior parte do quartzo usado para a indústria eletrônica é fabricada sinteticamente.
Os ressonadores de cristal de quartzo estão disponíveis em vários tamanhos e formatos para atender aos requisitos da maioria das aplicações. Desde pequenos dispositivos de montagem em superfície até cristais montados em orifícios maiores, bem como aqueles para soquetes, existem muitos tamanhos e formatos para esses componentes eletrônicos.
Noções básicas do ressonador de cristal de quartzo
A tecnologia do ressonador de cristal de quartzo depende das notáveis propriedades do quartzo para sua operação. Quando colocado em um circuito eletrônico, um cristal de quartzo atua como um circuito sintonizado. No entanto, tem um Q excepcionalmente alto.
Os circuitos sintonizados LC comuns podem exibir valores de algumas centenas se projetados e construídos com cuidado, mas os cristais de quartzo exibem valores de até 100.000.
Além de seu Q, a tecnologia de cristal também tem uma série de outras vantagens. Eles são muito estáveis em relação à temperatura e ao tempo. Na verdade, a maioria dos cristais terá esses valores especificados e eles podem ser tipicamente ± 5 ppm (partes por milhão) por ano para o envelhecimento e ± 30 ppm em uma faixa de temperatura de 0 a 60 °C.
Em operação, o cristal de quartzo usa o efeito piezoelétrico para converter os sinais elétricos em vibrações mecânicas. Estes fazem com que o cristal vibre e as ressonâncias mecânicas do cristal agem sobre as vibrações mecânicas. O efeito piezoelétrico então se liga de volta ao domínio elétrico e os sinais são convertidos de volta tendo sido afetados pelas ressonâncias mecânicas.
O efeito geral é que o cristal de quartzo liga as ressonâncias mecânicas de Q muito alto ao domínio elétrico, permitindo que ressonâncias de Q muito altamente estáveis e altas afetem os sinais elétricos.
Leia mais sobre . . . . o que é quartzo.
Símbolo do circuito de cristal de quartzo
O símbolo do circuito para um ressonador de cristal de quartzo usado em esquemas de projeto eletrônico é direto. O símbolo do cristal de quartzo mostra as duas placas de cada lado do elemento principal de quartzo. Possui duas linhas, uma superior e outra inferior com um retângulo central.
De muitas maneiras, o símbolo do circuito é uma boa representação do próprio cristal real, especialmente porque os primeiros ressonadores de cristal consistiam em uma placa de quartzo mantida entre duas placas condutoras.
Ao contrário de muitos outros símbolos de circuito, existem muito poucas variações do símbolo de circuito de cristal de quartzo e, portanto, é amplamente reconhecido.
Como funcionam os ressonadores de cristal de quartzo
A operação do cristal de quartzo baseia-se no fato de que o quartzo exibe o efeito piezoelétrico. Isso significa que, quando um estresse é criado e atravessa o cristal, uma força eletromotriz ou potencial elétrico é vista. O inverso também é verdadeiro, então quando um potencial é aplicado através do cristal, ele desvia ligeiramente.
Isso significa que o efeito piezoelétrico permite que os domínios mecânico e elétrico sejam vinculados.
Em termos de operação do cristal de quartzo como um ressonador Q alto, o cristal de quartzo pode ter um sinal elétrico, como um sinal em um receptor de rádio, colocado através dele. Isso é convertido em uma vibração mecânica.
As propriedades mecânicas do cristal de quartzo atuam como um ressonador Q muito alto. O efeito disso é então convertido de volta no domínio elétrico. O resultado geral é que parece ao circuito elétrico que um filtro elétrico de Q muito alto está presente.
Em qualquer projeto de circuito eletrônico é útil ver o circuito equivalente do cristal para que o projeto eletrônico possa ser concluído corretamente. O circuito equivalente normal para o ressonador de cristal de quartzo é dado abaixo.
Usos do cristal de quartzo
Os cristais de quartzo são usados em duas formas principais de aplicação: como elemento ressonante em osciladores e em filtros. Em ambas as aplicações, o Q muito alto do ressonador de cristal de quartzo permite alcançar níveis de desempenho muito altos, e é por isso que eles são usados em muitos projetos de circuitos gerais para relógios de baixo custo, bem como em aplicações de design de circuitos de RF mais exigentes.
Alguns dos usos desses componentes eletrônicos, juntamente com suas abreviaturas, são descritos com mais detalhes abaixo:
- Osciladores: O alto Q do cristal de quartzo significa que os osciladores são capazes de oferecer níveis muito altos de precisão e estabilidade. Existem várias opções para as maneiras pelas quais os ressonadores de quartzo podem ser usados em um projeto eletrônico, dependendo dos requisitos de desempenho e das restrições de custo.
- Crystal Oscillator – XO: Os ressonadores de quartzo podem ser usados de forma muito simples dentro de um circuito oscilador simples. Como os ressonadores básicos de quartzo são relativamente baratos, eles costumam ser usados como ressonadores para aplicações em que são o ressonador dentro de um oscilador de relógio para um microprocessador, por exemplo.
Ressonador de cristal de quartzo usado em uma placa-mãe de PC - Geralmente, os requisitos de precisão desses osciladores não são excessivamente altos e, portanto, os custos podem ser reduzidos ao mínimo usando um cristal de quartzo. Quando usados nessas aplicações, os cristais de quartzo são mais baratos do que muitas outras soluções que não funcionariam tão bem. Obviamente, os osciladores de cristal simples também são usados em muitas outras áreas.
- Oscilador de cristal controlado por tensão – VCXO: Para algumas aplicações, pode ser necessário um pequeno grau de alteração da frequência do oscilador. Um VCXO ou Oscilador Xtal controlado por tensão é relativamente fácil de construir.Os circuitos são diretos e geralmente envolvem o uso de uma tensão variável para acionar um diodo varactor no circuito de cristal. A mudança na reatância do varactor muda a frequência ressonante geral do cristal e seus circuitos associados.No entanto, em vista do alto Q do ressonador de cristal, apenas mudanças relativamente pequenas na frequência são possíveis. Esses circuitos podem ser construídos ou estão disponíveis como módulos comerciais.Leia mais sobre . . . . VCXOs.
- Oscilador de cristal com compensação de temperatura – TCXO: Uma das principais causas da mudança de frequência de um oscilador de cristal é a mudança de temperatura. Onde é necessária mais estabilidade de frequência do que pode ser fornecida por um oscilador padrão, então um TCXO, Oscilador Xtal com compensação de temperatura é uma opção. Como o nome indica, esta forma de oscilador aplica compensação de temperatura ao oscilador. Embora eles não tenham o mesmo desempenho de um oscilador de cristal controlado por forno, eles são capazes de fornecer níveis muito altos de estabilidade e desempenho para muitos projetos de circuitos.Leia mais sobre . . . . TCXOs.
- Oscilador de cristal controlado por forno – OCXO: Onde os níveis mais altos de estabilidade de frequência são necessários, a melhor opção é um oscilador de cristal controlado por forno. Chamado de OCXO: oscilador de cristal controlado por forno, esta forma de oscilador de cristal mantém o cristal e seus circuitos associados em um ‘forno’ com temperatura controlada. Este funciona a uma temperatura acima da ambiente e é mantido a uma temperatura constante enquanto o oscilador está em funcionamento. Desta forma, quaisquer alterações resultantes de mudanças de temperatura são minimizadas.Leia mais sobre . . . . OCXOs.
- Crystal Oscillator – XO: Os ressonadores de quartzo podem ser usados de forma muito simples dentro de um circuito oscilador simples. Como os ressonadores básicos de quartzo são relativamente baratos, eles costumam ser usados como ressonadores para aplicações em que são o ressonador dentro de um oscilador de relógio para um microprocessador, por exemplo.
- Filtros: A outra aplicação principal para ressonadores de cristal de quartzo está dentro dos filtros. Aqui, o ressonador é usado em um circuito que é usado para aceitar sinais desejados e rejeitar os indesejados. Os níveis de Q muito altos atingíveis usando quartzo significam que esses filtros têm um desempenho muito alto.
Os filtros de cristal de quartzo podem consistir em um único cristal, mas filtros mais sofisticados que oferecem um nível de desempenho muito maior podem ser feitos usando seis ou até oito cristais. Tendo em vista que esses filtros envolvem experiência e projeto avançado de circuitos de RF, muitas vezes são obtidos como módulos de filtro, embora muitos sejam fabricados pelos próprios fabricantes/projetistas finais.
Vantagens e desvantagens do cristal de quartzo
A tecnologia do cristal de quartzo oferece muitas vantagens, mas contra isso também existem alguns outros pontos a serem colocados na equação ao considerar seu uso:
Vantagens dos ressonadores de cristal de quartzo:
- Ressonador Q muito alto: O Q de um cristal de quartzo é muito alto. Isso, por sua vez, reflete em termos de várias vantagens:
- Sinal muito estável quando usado em um oscilador.
- Baixos níveis de ruído de fase quando usado em um oscilador.
- Quando usado em um filtro é possível atingir níveis muito altos de seletividade. Os filtros de cristal são capazes de fornecer excelente desempenho e fornecer algumas das melhores opções para filtros nítidos em uma variedade de aplicações.
- Baixo custo: Cristais básicos estão disponíveis a custos muito razoáveis. Seu uso geralmente pode resultar em um relógio mais barato ou outra fonte quando usado como ressonador. Os ressonadores de cristal de quartzo altamente especificados obviamente custam mais.
Desvantagens dos ressonadores de cristal de quartzo:
- Tamanho: Um cristal depende de vibrações mecânicas para seu comportamento ressonante. Como resultado, o tamanho não pode ser reduzido facilmente e eles podem ser grandes quando comparados a outros componentes SMT. Dito isto, os novos cristais de tecnologia de montagem em superfície estão disponíveis em embalagens muito pequenas agora.
- Soldagem: Devido ao seu desempenho, a soldagem deve ser realizada com cuidado, observando as temperaturas máximas e os tempos de soldagem.
- Frequência fixa: Embora isso também possa ser uma vantagem, um cristal tem suas próprias frequências ressonantes naturais. Uma vez escolhidos e fabricados, eles não podem ser alterados, embora seja possível ‘puxar’ a frequência de um oscilador em uma pequena quantidade.
Como acontece com qualquer tecnologia, esses componentes eletrônicos têm pontos positivos e negativos. Entender esses problemas e os benefícios que eles trazem pode permitir que eles sejam aproveitados da melhor maneira possível na fase de projeto eletrônico.
Linha do tempo de cristal de quartzo e osciladores
Desde os primeiros sinais do efeito piezoelétrico e da ação dos cristais de quartzo, foram necessários muitos anos para que seu desenvolvimento chegasse ao estágio em que se encontra atualmente.
As primeiras investigações demonstraram o efeito, e levou alguns anos até que a tecnologia de rádio fosse desenvolvida e a ação dos ressonadores de cristal de quartzo ou xtais pudesse ser demonstrada e depois refinada.
Como os ressonadores de cristal de quartzo são feitos
Os ressonadores de cristal de quartzo são fabricados em grandes quantidades. O processo de fabricação começa com o silício bruto que é convertido em quartzo sintético e, a partir daí, os ressonadores de cristal de quartzo individuais são fabricados. Uma vez que os cristais básicos de quartzo tenham sido fabricados, eles são aparados e encapsulados.
Em algumas áreas do processo de fabricação do ressonador de cristal de quartzo, alguns elementos apresentam algumas semelhanças com a fabricação de semicondutores, embora os produtos fabricados sejam muito diferentes.
Processos como gravação, deposição e similares são usados no processo de fabricação do cristal de quartzo.
Leia mais sobre . . . . fabricação de ressonadores de cristal de quartzo.
Especificando ressonadores de cristal de quartzo
Ao escolher um ressonador de cristal de quartzo para um projeto de circuito geral ou um projeto de circuito de RF, há muitos parâmetros que precisam ser selecionados. Muitos deles são específicos para a operação do cristal e normalmente não são vistos em outros componentes eletrônicos.
Normalmente, os fabricantes exigem uma série de parâmetros, muitas vezes estabelecidos em um formulário específico antes de poderem fabricar e fornecer o elemento de cristal necessário.
As decisões sobre os vários parâmetros a serem selecionados podem depender de outros componentes eletrônicos no circuito ou do projeto eletrônico geral.
Compreender os diferentes parâmetros a serem selecionados e a maneira como eles podem afetar o projeto eletrônico e a seleção de outros componentes eletrônicos garante que as decisões corretas sejam tomadas.
Leia mais sobre . . . . como especificar um ressonador de cristal de quartzo.
Os ressonadores de cristal de quartzo são amplamente utilizados na indústria eletrônica. Eles podem ser usados em osciladores de cristal de quartzo e filtros de cristal, onde fornecem níveis excepcionalmente altos de desempenho. Além disso, elementos de baixo custo com especificações de tolerância mais baixas são amplamente utilizados em osciladores de cristal para relógios de placa de microprocessador, onde são usados como elementos ressonadores baratos. Seja qual for o seu uso, um ressonador de cristal de quartzo fornece um nível excepcionalmente alto de desempenho para o custo de sua produção.
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