KRISTALNI OSCILATOR

Ana-Marija Bartolinčić

UVOD

Električni oscilatorski krug koji koristi mehaničku rezonanciju vibrirajučeg kristala piezoelektričnog materijala za stvaranje električnog signala s vrlo preciznom frekvencijom

Pračenje vremena (kvarcni ručni satovi ) , stvaranje stabilnih urnih signala kod digitalno integriranih krugova , stabilizacija frekvencije kod radio odašiljača i prijamnika

Najpoznatiji tip piezoelektričnog rezonatora je KRISTAL KVARCA , tako da su oscilatorski krugovi koji ga okružuju postali poznati kao ̓kristalni oscilatori ̔̓̔̔̓̔̓̔̔̔̓̔̔

Ručni satovi , za računala i mobilne telefone, te eksperimentalna oprema mnogih instrumenata kao kod brojača , signalnih generatora i oscilatora

POVIJEST KRISTALA

Piezoelektricitet su prvo otkrili Jacque i Pierre Curie 1880.god. Langevine je prvi iskoristio kvarcne rezonatore za upotrebu sonara tijekom I. Svjet.rata

Prvi kristalni oscilator je napravljen 1917 . od kristala Rochellove soli . (Rochellova sol -KNaC4H4O6×4H2O ), te patentiran 1918. God. , a patentirao ga je Alexander M. Nicholson kod Bell Telephone Laboratories , iako je taj patent osporavan od strane Waltera Guyton Cady-a

1928.Warren Marrison dizajnirao je prvi kristalni sat kod Bell Telephone Labaratories. Ta inovacija je zamjenila escapement (mehanizam koji omogučava sporo kretanje u jednom smjeru ) i pendulum (njihalo) kao vremensku referencu koristeći pritom prirodne vibracije koje se pojavljuju u kvarcnom kristalu kao oscilatoru , te je poboljšalo vremensku preciznost na 1 s u 30 godina ili 30 ms na godinu

POVIJEST KRISTALA

1968. Juergen Staudte je postao inovator procesa za proizvodnju kristalnih kvarcnih oscilatora radeći kod North American Aviation koji je poslije postao znan kao Rockwell . Staudte je patentirao svoju inovaciju koja je koristila fotolitografske procese vrlo slične načinu proizvodnje integriranih krugova

SLIKA 1. PRVI KRISTALI BELL LABB. IZ ZBIRKE VECTRON INTERNATIONAL

NAČIN RADA

Visoko frekventni kristali su tipično rezani u obliku jednostavnih , pravokutnih ploča. Nisko frekventni kristali, kao oni koji se koriste u digitalnim satovima se obično režu u obliku vibrirajuče vilice(viljuške).

Kada se kristal propisno odreže i izmjeri tada ga se može podesiti da se izvine u električnom polju koristeči napon na elektrodi koja se nalazi blizu ili na samom kristalu . To svojstvo kristala da mu se volumen mijenja u prisustvu električnog polja znamo kao piezoelektricitet

Rezultat tog ponašanja je činjenica što se kvarcni kristal ponaša kao krug sastavljen izvora napajanja, kondenzatora i otpornika s vrlo preciznom frekvencijom.

NAČIN RADA

Elastična konstanta i veličina se mijenjaju u tom obliku da mu frekventna ovisnost o temperaturi može biti jako niska

Za vrlo kritične uvjete rada , kvarcni kristalni oscilator se podešava u temperaturno kontroliranom kontejneru kojeg još zovemo ̔̓̔̔kristalnom pečnicom- , te se također može podesiti na jake absorpcije za sprečavanje pe.rturbacija koje uzrokuju vanjske mehaničke vibracije.

SLIKA 2.KRISTALNI OSCILATORSKI MODOVI

TEORIJSKA PODLOGA

Kvarcni kristal se može podesiti da radi kao električna mreža niskih (serijski) i visokih ( paralelnih ) rezonantnih točaka koje su vrlo blizu.

Matematički pojašnjeno ta se blizina točaka može napisati kao :

Z-impendancija kristala , L-induktivitet ,C-kapacitet , R-otpor

TEORIJSKA PODLOGA

Pri čemu je C0>> C1 , a s je kompleksna frekvencija s= j×ω, a ωs je rezonantna frekvencija kod serijskog sklopa izražena u radijanima po sekundi , a ωp je rezonantna frekvencija kod paralelnog sklopa također izražena u rad/sek .

SLIKA 3. PROMJENA REAKTANCIJE X KRISTALA S OBZIROM NA KUTNU FREKVENCIJU

Područje frekvencija od ω(s) do ω(p) se nalazi u području induktivnog karaktera kristala

SLIKA 4 . SHEMATSKI PRIKAZ KVARCNOG KRISTALNOG KRUGA

MODOVI REZONANCIJE

Kristali koji imaju frekvenciju od 30 MHz mogu raditi u području između serijske i paralelne frekvencije , što znači da se kristal pojavljuje kao induktivni reaktivni otpor (reactance) u krugu.

Kristali koji rade iznad 30MHz (pa sve do iznad 200MHz ) uglavnom rade na serijskoj rezonanciji gdje se impendancija približava minimumu i jednaka je serijskom otporu .

Za postizanje viših frekvencija , kristal moramo napraviti tako da vibrira iznad jednog od vlastitih tzv. prizvučnih načina, koji se pojavljuju kod multipliciranja osnovnih rezonantnih frekvencija

MODOVI REZONANCIJE

Koriste se samo prizvučni modovi neparnih brojeva , pa takve kristale označavamo kao 3- prizvučne , 5-, 7-prizvučne kristale , a da bi to postigli moramo u oscilatorski krug staviti dodatne LC krugove da bi dobili željeni ton

TEMPERATURNI UČINCI

Frekvencija kristala ovisna o rezu ili obliku kristala . Kristali vibrirajuće viljuške se opčenito režu tako da je omjer frekvencije preko temperature parabolična krivulja s točkom kod 25⁰C .

. Uobičajeni parabolični koeficijent za 32kHz kristal je -0,04 ppm/⁰C2

F = f0[1- 0,04 ppm (T- T0)2].

ELEKTRIČNI OSCILATORI

Brzina širenja i kontrakcije kvarca je rezonatna frekvencija koja je određena rezom i veličinom kristala

Oscilaciju možemo imati samo kada se energija izlaznih frekvencija poklopi s gubitcima u krugu. Oscilirajući kristal ima dvije električki vodljive ploče između kojih se nalazi komad kvarcnog kristala

Glavni razlog za široku upotrebu kristalnih oscilatora je njihov visoki Q faktor . Tipična vrijednost Q faktora koji još zovemo faktor dobrote za oscilatore je od 104 do 106 u usporedbi s LC oscilatorom čija je 102.

Maksimalni Q faktor za visoko stabilne kristale se može procjeniti na Q= 1,6 × 107 /f , gdje je f rezonantna frekvencija u MHz-ima

ELEKTRIČNI OSCILATORI

Nisku faznu buku ih čini vrlo korisnima u telekomunikaciji gdje su stabilni signali potrebni , te u istraživačkim uređajima gdje je potrebna preciznost u vremenu

Vanjski faktori kao što su temperatura, vlažnost , pritisak i vibracije mogu utjecati na rezonantnu frekvenciju kristala , ali ih se može umanjiti.To uključuje TCXO, MCXO i OCXO kristalne oscilatore.

Dugoročna stabilnost je ograničena starenjem kristala . Zbog starenja ali i okolišnih faktora teško je održati čak i najbolje kvarcne oscilatore unutar jedne 1010 nominalne frekvencije bez konstantnog prilagođavanja

SLIKA 5.KRISTAL KORIŠTEN KOD RADIO AMATERA

NEPRAVE FREKVENCIJE

Značajne neprave frekvencije se mogu naći kod kristala koji rade pri serijskoj rezonanciji ili su izvučeni iz glavnih modova uključenjem serijskih indikatora ili kapacitatora

Neželjene frekvencije mogu nastati podvrgavajući kristal vibracijama koje moduliraju rezonantnu frekvenciju za mali postotak frekvencije vibracija

SC-rezonantni kristali su napravljeni upravo zato da smanjuju frekventne učinke povečavajućeg stresa i stoga su manje osjetljivi na vibracije

SLIKA 6.NEPRAVE FREKVENCIJE KOD 25MHZ KRISTALA

NAJČEŠĆE UPOTREBLJAVANE FREKVENCIJE

Kristalni oscilatorski krugovi se najčešće dizajniraju za nekoliko frekvencija kao što su 3.579545 MHz, 4.433619 MHz , 10 MHz , 14.318182 MHz , 17.734475 MHz, 20 MHz , 33.33 MHz i 40 MHz

14.318182 MHz (četiri puta po 3.579545 ) se koristi kod video prikaza kod računala za generiranje točkastih video prikaza za NTSC monitore , kao što je CGA korišten kod originalnih IBM-ovih računala.

4.433619 MHz i 17.734475 MHz –ni se koriste kod televizorske opreme s PAL prikazom boja , te uređaja za proizvodnju PAL signala.

KRISTALNE STRUKTURE I MATERIJALI

Kristalne strukture tektosilikata predstavljaju trodimenzionalne kosture sastavljene od tetraedara sastava ( Si, Al)O4 kojima su svi vrhovi (atomi kisika) zajednički sa susjednim tetraedrima.

Oslobođeni negativni naboj kompenziraju ioni, K+,Na+, Ca2+ i Ba2+, rijetko ioni drugih elemenata koji ulaze u velike šupljine alumosilikatnoga kostura

Najčešće se u proizvodnji koristi desno-orijentirani kvarc . SiO4 tetraedri stvaraju paralelne helikaze , a smjer zakretanja helikaza određuje desnu ili lijevu orijentaciju

SLIKA 7. HELIKAZE SIO4

SLIKA 8. PAKIRANJE KRISTALNIH TIPOVA

KRISTALNE STRUKTURE I MATERIJALI Kvarc egzistira u nekoliko faza; pri 573⁰ i 1 atm, (te na

višim temp. i višem pritisku ) α- kvarc podilazi inverziji, te se reverzibilno pretvara u β-kvarc

Najčešće vrpce koje se koriste su 3585 , 3500 i 3410 cm-1

Elektronski gradirani kristali imaju Q vrijednost od 1,8 milijuna i više a spadaju u razred C, premium B kristali imaju Q vrijednost od 2,2 milijuna , a posebni A kristali od 3.0 milijuna.

Druga karakteristika koju tražimo kod kristala je kanalska gustoća izjedina , kada kristal ima izjedine (prutine) , tubularni kanali nastaju duž linearnih defekata.

Jako čisti kvarcni kristali se uzgajaju s izrazito malim postotkom aluminija , alkalnih metala i ostalih nečistoća te s minimalnim defektima jer vrlo mali udio alkalnih materijala u sastavu kristala daje povečanje otpora prema ionizirajučem zračenju

KRISTALNE STRUKTURE I MATERIJALI

Kristale možemo uzgojiti kao y-šipke , sa početnicom u tom obliku i izdužene duž y-osi ili kao z-ploču koji s ravne početnice rastu prema y-osi , a šire se prema x-osi.

Kristali rastu anizotropno, rast duž z-osi je 3 puta brži nego duž x-osi . Omjer rasta i brzina rasta također utječu na brzinu ugrađivanja nečistoća y-šipka kristala , te z-ravne kristale s dugom y-osi koji imaju 4 regije rasta koje inače nazivamo +x,-x, z i s.

Nečistoće jako utječu na radioaktivnu sposobnost, (i to negativno), susceptibilnost prema zakretanju , sposobnosti filtriranja te na kratkoročnu i dugoročnu stabilnost kristala .

Dominirajući tip zabranjenog defekta u kvarcu je zamjena Al(III) s Si(IV) u kristalnoj rešetci . Aluminijev ion ima vezujući nabojni kompenzator jako blizu a to može biti vodikov atom (vezan na najbliži kisik te time stvarajući hidroksilnu skupinu , što još zovemo Al-OH defekt), te Li+ion , Na+-ion , K+ ion (iako manje izražen ) ili pak elektronsku rupu u orbitali najbližeg kisikovog atoma

KRISTALNE STRUKTURE I MATERIJALI

Ionske nečistoće također stvaraju problem jer nisu statične već mogu migrirati unutar kristala utječući tako na elastičnost lokalne rešetke i rezonantnu frekvenciju kristala.

Fe(III)(intersticijski), F, B(III), P(V)(susptitucijski), Ti(IV)(substitucijski , uglavnom prisutan u magmatskom kvarcu , manje u hidrotermalnom ), te germanij(IV)(substitucijski)

Druga vrsta defekta koja je jako važna je vodikom prouzročen defekt rasta kada umjesto Si-O....Si strukture imamo par Si-OH HO-Si grupe koje imaju uglavnom hidrolizirane veze

Neki od defekata stvaraju lokalne nivoe u zabranjenim vrpcama tako da hvataju naboj , kao Al(III) i B(III) koji služe kao hvatači šupljina , dok titanijevi , germanijevi i fosforovi atomi služe kao hvatači elektrona . Uhvačeni naboj se može otpustiti zagrijavanjem , a njihova rekombinacija je uzrok termoluminiscenciji

KRISTALNE STRUKTURE I MATERIJALI Čisti kristali su kristali koji prolaze proces čišćenja

elektrodifuzijom čvrstog stanja . Čišćenje uključuje grijanje kristala iznad 500⁰C u atmosferi bez kisika, te pod naponom od 1kV/cm preko 12 sati. Putovanje nečistoća i postupna zamjena alkalnih metalnih iona s vodikom (kada ih se pomiče u zrak) te elektronskih rupa (kada ih se pomiče u vakuum ) stvara malu električnu struju kroz kristal , a smanjenje te struje do

konstantne vrijednosti signalizira kraj procesa.

Kvarc možemo pročistiti i u α i u β-fazi , pri čemu je β-fazni kvarc brži, ali fazni prijelazi mogu inducirati svijanje. Svijanje se može smanjiti podvrgavanjem kristala kompresijskom stresu u x-smjeru ili kroz AC ili DC električno polje duž x-osi dok se kristal hladi kroz fazno promjenjivu temperaturnu regiju

KRISTALNE STRUKTURE I MATERIJALI

Kristale možemo namjestiti na točnu frekvenciju laserskim rezovima .

Kapacitatorski rezači se također mogu upotrijebiti za frekventno namještanje oscilatorskog kruga .

Drugi piezoelektrični materijali se također mogu koristiti kao što su litijev-tantalat , niobat, borat, berlinit (Al(PO4), galijev -arsenid,litijev- tetroborat , aliminijev-fosfat, bizmut germanijev-oksid , polikristalične keramike Zn-titanata, keramike s visokim postotkom aluminija, , kompozitne strukture s silikon-Zn oksidima .

Kristali galijevog-fosfata , langasita(Co, Ni)As, langanita, langanata su 10 puta više odgovarajući nego isti kvarcni kristali , te se koriste u nekim VCXO oscilatorima(naponski kontrolirani kristalni oscilatori).

SLIKA 9. KLUSTER PRIRODNOG KVARCA

SLIKA 10. UMJETNO UZGOJEN KVARC

STABILNOST I STARENJE

Frekvencija stabilnosti kristala je određena njegovim Q faktorom ili faktorom dobrote. On je inverzno ovisan o frekvenciji te je konstantna kada govorimo o vrsti reza .

Ostali faktori koji utječu na faktor Q su prekotonski faktor, temperatura, razna brušenja kristala , kvaliteta površine , mehanički stres koji nastaje na kristalu vezanjem s drugim elementima , geometrija kristala i priključenih elektroda , čistoća materijala i defekata u kristalu , tip i pritisak plina u komori , interferirajući modovi , prisutnost i apsorbirana doza ionizirajučeg i neutronskog zračenja.

Kristali posjeduju temperaturnu histerezu : frekvenciju dane temperature koja je postignuta povečanjem temp. a nije jednaka frekvenciji temp., postignute smanjenjem temp.

Kristali su podložni anomalijama u frekventno-temp. i otporno-temp. karakteristikama koje još zovemo jamama aktivnosti (activity dips).

Mehanički stres također utječe na frekvenciju , a njega mogu uzrokovati vezanje , upotreba elektroda , različita termalna ekspanzija elektroda

Sam kristal zbog zbog različitog stresa kada imamo prisutan termalni gradijent ekspanzijom vezujućih materijala tijekom stvaranja zračnog pritiska koji se pojavljuje tijekom prostornog pritiska na kristal ,

Zatim stres uzrokovan samom kristalnom rešetkom (nejednak rast, nečistoće , dislokacije), površinske nepravilnosti i oštećenja uzrokovana proizvodnjom , sam utjecaj frekvencije na masu kristala , te frekvencija na koju može utjecati sama pozicija kristala

Dinamički stres uključuje faktore kao što su su šokovi , vibracije te akustika.

STABILNOST I STARENJE

Ostali faktori koji utječu na frekvenciju su :napon struje , impendancija tereta, magnetno polje , električno polje ( na rezove kao što su SC rezovi koji su osjetljivi na električno polje), prisutnost apsorbirane doze γ-čestica i ionozirajućeg zračenja te sama starost kristala .

Kontaminirajuće molekule koje su zaostale od ostatka atmosfere izbačene iz kristala , elektrode te pakirajući materijali , sve se to može apsorbirati na površinu kristala ,mjenjajući njegovu masu što još zovemo kvarcni kristalni mikrobalans .

Neki od faktora koji utječu na kristalnu starost: A)kratkoročne frekventne oscilacije B)termalna buka C) fononsko raspršenje D)fazna buka E)radioaktivno Oštećenje

STABILNOST I STARENJE

STABILNOST I STARENJE

oštečenja nastala upotrebom su korozija, nagle promjene frekvencije , pucanje kristala nastalo naglim mehaničkim šokom, propuštanje inkluzija , te izloženost nečistih kristala radijaciji.

SLIKA 11.KRISTALI TIPA VIBRIRAJUĆE VILJUŠKE

KRISTALNI REZOVI

Rezonatorsku ploču možemo rezati na svakakve načine , a znamo da orijentacija reza utječe na starost kristala , frekventnu stabilnost, termalne karakteristike i ostale parametre.

KRISTALNI REZOVIVrsta reza frekvencija opis

AT Nastao 1934. Za oscilatore koji rade u širem temp. području , 0,5-200MHz te za pećno kontr.oscilatore

SC Stresno kompenziran rez , nastao 1974. ,za oscilatore s niskom faznom bukom i dugoročnim radom.Lakše se zagrijava, visok Q-faktor, manje osjetljiv na vibracije i djelovanje vektora gravitacije.Pogodan za OCXO krugove u svemirskoj tehnologiji i GPS sustave

KRISTALNI REZOVIBT 0,5-200 MHz Specijalan rez sličan

AT rezu samo je razan pod kutom od 49⁰ od z-osi .Zbog visoke frekevncije koja je konst. Može se koristiti za kristale s višim frekvencijama , preko 50MHz

IT Rijetko se koristi, sličan SC rezu , pogodan za više temp.

FC Ako se koristi u pećno kontr.oscilat. krugovima , može raditi na temp. okoliša i ima odgovarajuću stabilnost čak i na višim temp. bez gubitka snage

KRISTALNI REZOVI

 AK Bolje temp .

karakteristike od AT I BT ali i bolje kristalografske karakte. Od AT, BT i SC .

CT 300-900 kHz

DT 75-800 kHz

SL

GT 0,1-3 Mz

E,5⁰X Nizak temperaturni koeficijent , za nisko frekventne kristalne filtere.

KRISTALNI REZOVIMT 40-200 kHz

ET

FT

NT 8-130 kHz

XY, VIRIRAJUĆA VILJUŠKA

3-85 kHz, dominantan nisko frekventni kristal

H 8-130 kHz

J 1-12 kHz

RT

KRISTALNI REZOVI

RT

SBCT

TS

X 30⁰

LC

AC Temp.ovisan , pogodan za senzore

BC

NLSC

Y Temp.ovisan , pogodan kao senzor, poznat kao i paralelni ili 30⁰ stupanjski

X Kao 50kHz osc. U prvom satu , poznat i kao normalan, Curie , 0 kutni ili ultrasonični .

TIPOVI KRISTALNIH OSCILATORA

ATCXO-analogno temper.kontrolirani kristalni oscilator

CDXO-duplo kalibrirani kr.osc DTCXO-digitalni temp.kompenzirajući kr.osc. EMXO-minijaturni evakuirani kr.osc GPSDO-disciplinirajući globalni pozicinirajući sustav

oscilator MCXO-mikrokompjutorskii kompenzirajući kr.osc OCVCXO-pećno-naponski kontroliran kr.osc OCXO-pećno kontr.kr.osc RbXO-rubidij kr.osc

TIPOVI KRISTALNIH OSCILATORA

TCVCXO-temp.kompenzirajući naponsko kontroli.kr.osc

TCXO-temp.kompenzirajuči kr.osc TMXO-taktički minijaturni kr.osc TSXO-temp.-osjetljiv kr.osc, promjena TCXO osc VCTCXO-naponsko kontr.temp.kompenz.kr.osc VCXO-noponsko kontr.kr.osc

LITERATURA

http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Crystal_oscillator

Borchard, Ott, Crystallography ,3rd edition, Springer, NY, 2011