Oscillatori al quarzo e loro applicazioni

Introduzione:

Gli oscillatori al quarzo sono circuiti elettronici basati su un cristallo di quarzo oscillante per generare una frequenza altamente stabile. A seconda dei requisiti e delle condizioni ambientali, è possibile ottenere una stabilità di frequenza compresa tra 10E-5 e 10E-12 al giorno. Sono disponibili moduli di oscillatori standardizzati per le applicazioni quotidiane, mentre gli oscillatori ad alta precisione sono solitamente progettati e prodotti individualmente per esigenze speciali.

Tipi di oscillatori:

Secondo gli standard internazionali, gli oscillatori a cristallo sono suddivisi nelle seguenti categorie:

1. SPXO - Oscillatori a cristallo a pacchetto semplice
2. VCXO - Oscillatore a cristallo controllato in tensione
3. TCXO - Oscillatore a cristallo compensato in temperatura
4. OCXO - Oscillatori a cristallo stabilizzati in temperatura (Oven Controlled Crystal Oscillator)
5. LPXO - Oscillatori a cristallo a bassa potenza con stabilità di temperatura di ±0,5 ppm al di sopra di -40/+85°C e con un invecchiamento di ±1x10E-6.

Comportamento alla temperatura

Le variazioni di temperatura influenzano la frequenza del cristallo, anche con cristalli AT-cut stabili in temperatura. Elementi di commutazione o circuiti integrati aggiuntivi possono peggiorare questo comportamento. La divisione di frequenza è un metodo possibile per migliorare la precisione alle basse frequenze.

Influenze della tensione di esercizio e del carico

La frequenza è sensibile alle variazioni di tensione, in particolare a causa della variazione di capacità dei transistor dell'amplificatore. Anche l'impedenza di carico in uscita influenza la frequenza. Gli amplificatori tampone aiutano a minimizzare questi effetti.

Comportamento a lungo termine

L'invecchiamento della frequenza è solitamente maggiore nei primi mesi di funzionamento. Il cosiddetto "burn-in" a temperature elevate può ridurre questo invecchiamento. Gli oscillatori altamente stabili rimangono in modalità standby per evitare la deriva della frequenza all'accensione.

I VCXO (oscillatori al quarzo controllati in tensione) consentono il controllo della frequenza tramite una tensione continua esterna. Di solito vengono utilizzati solo per sincronizzare un dispositivo/applicazione a un segnale di riferimento in ingresso (concetto master-slave) o per la modulazione di frequenza. Un diodo capacitivo (varactor) sostituisce il condensatore di regolazione.

Parametri tipici:

• Campo di trazione in frequenza (pull range = ad esempio ±50ppm min.)
• Sensibilità di trazione (pullability = ad esempio ±10ppm/pF)
• Non linearità della modulazione (ad esempio 10% max.)

Con il TCXO, la variazione di frequenza è compensata dalla temperatura. A seconda del processo, il controllo può essere analogico (con reti di termistori) o digitale (con sensore, ADC, memoria e DAC).

I TCXO stanno vivendo una vera e propria rinascita nella tecnologia delle comunicazioni e della navigazione e possono essere prodotti in modo molto economico grazie ai circuiti integrati che utilizziamo. I TCXO sono gli oscillatori a cristallo di alta precisione più utilizzati e sono caratterizzati da un ottimo rumore di fase e da eccellenti valori di jitter. Ciò rende i TCXO la prima scelta e la preferenza rispetto agli oscillatori MEMS quando vengono utilizzati in circuiti con successiva moltiplicazione di frequenza.

Le aree di utilizzo tipiche sono le applicazioni GPS e GLONASS, gli smartphone, i dispositivi radio, IoT, IIoT, le applicazioni per contatori intelligenti, i router, i dispositivi di misura, ecc.

Stabilità di frequenza raggiungibile:

• Tipicamente <0,5 - 2,5 ppm con temperature comprese tra -40 e +85 °C.

Gli OCXO funzionano con un termostato riscaldato che mantiene il quarzo ed eventualmente il circuito a una temperatura costante. Con l'OCXO, la temperatura del termostato può essere compresa nell'intervallo di +85°C. In linea di principio, la temperatura di riscaldamento è vicina al punto di inversione della curva TC del quarzo. Per ridurre al minimo la deriva di frequenza del risonatore al quarzo, nell'OCXO viene utilizzato un cristallo di quarzo in un overtone. Normalmente nel 3° o 5° overtone. In particolare, nel 5° tono la capacità dinamica C1 (capacità shunt) è molto bassa, il che facilita la compensazione della frequenza del cristallo.

Esistono termostati a uno o due stadi (doppi). Questi ultimi offrono la massima stabilità di temperatura con basse deviazioni di frequenza. Inoltre, a seconda della precisione richiesta, si utilizzano risonatori al quarzo con taglio AT o SC. I cristalli con taglio SC offrono una precisione di frequenza e una stabilità di temperatura molto più elevate rispetto ai cristalli con taglio AT.

Precisioni tipiche:

• < 1 x 10E-7 (OCXO singolo)
• < 1 x 10E-9 (OCXO doppio)

A causa del consumo energetico e delle dimensioni, l'uso degli OCXO è solitamente riservato ad applicazioni di alta precisione, come le stazioni base dei telefoni cellulari, gli standard di riferimento GPS, la tecnologia di misura o le telecomunicazioni.

Riepilogo dei parametri importanti dell'oscillatore

• Frequenza nominale e tolleranza
• Variazione di frequenza dovuta a: Temperatura, tensione, carico, tempo (invecchiamento)
• Comportamento di rodaggio, stabilità a breve termine
• Alimentazione: tensione, corrente, ripple
• Segnale di uscita: livello, forma, rumore
• Fattori ambientali: intervallo di temperatura, urti, vibrazioni

Gli LPXO sono una "via di mezzo" tra gli SPXO e i TCXO. Gli LPXO vengono sempre utilizzati quando è richiesto un basso consumo energetico o quando la tolleranza di frequenza di un SPXO è troppo bassa ma quella di un TCXO è troppo precisa. Ciò significa che un LPXO è sempre più economico di un TCXO.