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Jan 25, 2024

El oscilador de cristal compensado por microcomputadora finalmente está listo para el espacio

Desde la década de 1990, el oscilador de cristal compensado por microcomputadora, o MCXO, ha

Desde la década de 1990, el oscilador de cristal compensado por microcomputadora, o MCXO, se ha utilizado en muchas aplicaciones, incluida la aviónica militar y comercial, la electrónica terrestre y la exploración submarina de petróleo. Estos dispositivos más pequeños, livianos y de menor potencia a menudo pueden reemplazar a los osciladores de cristal controlados por horno (OCXO) más voluminosos y que consumen más energía, al mismo tiempo que brindan una estabilidad comparable en una amplia gama de temperaturas de funcionamiento. Pero el santo grial de las aplicaciones MCXO es para uso en el espacio. Casi todos los satélites emplean al menos un OCXO para la sincronización de precisión, a pesar de los grandes inconvenientes de su alto consumo de energía y su gran tamaño. El obstáculo para el MCXO es que utiliza varios dispositivos digitales que han sido difíciles de adquirir como componentes resistentes a la radiación calificados para el espacio. Hasta ahora.

Este artículo compara los tipos de osciladores de cristal y presenta el primer MCXO que combina un diseño de ingeniería inteligente con componentes digitales endurecidos por radiación para calificar para aplicaciones NewSpace (Figura 1).

Todos los osciladores de cristal, que se muestran en la Figura 2, se basan en las vibraciones de frecuencia muy estables de un resonador de cristal de cuarzo piezoeléctrico.

Por lo general, los cristales y sus circuitos asociados se diseñan y fabrican cuidadosamente para que el cristal de cuarzo vibre solo a la frecuencia de resonancia deseada. Un oscilador de cristal independiente puede mantener una estabilidad de frecuencia de menos de ±50 ppm en el amplio rango de temperatura militar de -55 a +125 ℃, que es lo suficientemente bueno para la mayoría de las aplicaciones electrónicas.

Si se necesita una estabilidad más estrictamente controlada sobre la temperatura, un oscilador de cristal compensado por temperatura, o TCXO, agrega un circuito de compensación para corregir la variación de temperatura de la frecuencia del cristal y, por lo tanto, puede alcanzar alrededor de ±1 PPM.

Si se necesita aún más estabilidad, un oscilador de cristal controlado por horno utiliza la técnica para colocar el cristal dentro de un horno controlado proporcionalmente muy preciso, que puede lograr una estabilidad de frecuencia de aproximadamente tres órdenes de magnitud mejor que la temperatura; sin embargo, el OCXO tiene el costo de mucho más tamaño, peso y consumo de energía. Un OCXO típico consume al menos unos pocos vatios de energía, mientras que el consumo de energía de los XO (osciladores de cristal simples) y los TCXO se mide en milivatios. Además, los OCXO suelen tener un mayor rendimiento para otros parámetros importantes del oscilador, incluidos el ruido de fase, la inestabilidad y la estabilidad a largo plazo (envejecimiento).

El propósito principal del MCXO es lograr el rendimiento del OCXO pero con un consumo de energía mucho menor y un calentamiento mucho más rápido (el tiempo que tarda un oscilador en alcanzar la estabilidad requerida después de encenderse). El método engañosamente simple que usa el MCXO para hacer esto es operar el resonador de cristal de cuarzo en dos frecuencias diferentes al mismo tiempo.

Al hacer esto y al manipular los datos así creados, el cristal MCXO se convierte en un termómetro de autodetección; es decir, el cristal esencialmente nos dice exactamente cuál es su temperatura en un momento dado y con un grado muy alto de precisión y, por lo tanto, permite que la frecuencia se compense con mayor precisión que en un TCXO. También utiliza mucha menos energía que un OCXO.

Una de las principales razones de la superioridad de la compensación de temperatura del MCXO es que la autotermometría del resonador de cristal de cuarzo elimina la necesidad de un termómetro separado.

Cada TCXO y OCXO requiere un sensor de temperatura separado para monitorear con precisión la temperatura del resonador de cristal de cuarzo. En el caso del OCXO, se debe conocer la temperatura del cristal para corregir continuamente esa temperatura a la temperatura deseada del horno. En el caso del TCXO, conocer la temperatura del cristal permite que el circuito de compensación calcule la corrección exacta necesaria debido a las variaciones de frecuencia y temperatura. La dificultad es que el sensor de temperatura no se puede montar en el resonador de cristal real debido a la carga de masa y los efectos de la contaminación, sino que se debe montar en el exterior del paquete herméticamente sellado del cristal y debido al retraso térmico, el termómetro nunca en realidad estar a la temperatura exacta del resonador de cristal.

El MCXO elimina este problema porque el cristal informa su propia temperatura real en tiempo real. ¿Cómo hace esto el cristal? Haciendo que el cristal MCXO vibre a dos frecuencias diferentes al mismo tiempo. Cada cristal piezoeléctrico puede oscilar en muchos modos diferentes, cada uno con su propia frecuencia.

Un punto clave del diseño de un cristal es hacer que prefiera oscilar en un modo particular. Pero con el cristal MCXO, el cristal está diseñado para oscilar en dos modos al mismo tiempo, uno de los cuales es el modo fundamental de un cristal de corte SC: un corte muy especial de doble rotación con respecto a los ejes hexagonales del cristal de cuarzo que le dan a los cristales una excelente estabilidad de la temperatura El segundo modo de vibración está en el tercer sobretono del cristal. Los cristales utilizados en los osciladores de precisión pueden vibrar en un modo fundamental, donde la frecuencia es proporcional al grosor del cuarzo en blanco, o en cualquier sobretono impar.

En este caso, se utiliza el sobretono del tercer armónico, pero la frecuencia del tercer sobretono no es exactamente tres veces la del modo fundamental, sino un 2.999 muy cercano. Esta relación en realidad varía minuciosamente con la temperatura, y esta relación entre la frecuencia del modo fundamental y la tercera frecuencia armónica es el indicador más preciso de la temperatura exacta del cristal en cualquier momento. Todo esto se caracteriza y almacena con mucho cuidado para cada cristal MCXO y luego se usa en tiempo real para calcular la temperatura exacta en función de la relación de las dos frecuencias en cualquier momento.

El resultado es que se puede hacer que el MCXO brinde aproximadamente el mismo rendimiento que un buen OCXO pero con una potencia de menos de 100 milivatios en comparación con los tres a cinco vatios de un OCXO. El tiempo de calentamiento típico de un OCXO es de más de 10 minutos frente a menos de un minuto para el MCXO. En otras palabras, el MCXO puede ofrecer un consumo de energía más bajo y un tiempo de calentamiento más rápido que el OCXO. Esto, para algunas aplicaciones, es revolucionario.

Cuando se desarrollaron MCXO a principios de la década de 2000, los componentes digitales de nivel duro de radiación y espacio necesarios eran muy costosos, lo que significaba que un producto de nivel espacial MCXO se vendería por cientos de miles de dólares cada uno.

En los albores de la era de las constelaciones de megasatélites, conocida como órbita terrestre baja (LEO, por sus siglas en inglés) o New Space, se hizo posible encontrar microcontroladores y otros dispositivos digitales que fueran tolerantes a la radiación y con pantalla ascendente. El uso de estos componentes digitales entró en el QT2020 MCXO (Figura 3), lanzado en 2021, que ahora ha sido completamente calificado para su uso en aplicaciones LEO New Space.

El QT2020 MCXO fue diseñado con el objetivo de su uso en satélites y otras aplicaciones espaciales, utilizando solo componentes tolerantes a la radiación. La serie de productos está disponible a 10, 20, 30, 40, 50, 60 u 80 MHz, con una estabilidad tan baja como ±10 PPB en un paquete de 2 pulgadas por 1 pulgada por 1,33 pulgadas. Y ofrece el alto rendimiento de un OCXO pero con un consumo de energía inferior a 90 mW.

El QT2020 MCXO es ahora un producto estándar que se puede adquirir sin dificultad ya un costo razonable. Los precios varían según la estabilidad y otras opciones. Por ejemplo, se puede desarrollar una versión completa totalmente RAD si la aplicación admite un precio más alto.

El QT2020 MCXO ha sido probado para TID hasta 50 kRAD sin experimentar problemas, y el nivel de consumo actual fue "estable como una roca" a medida que aumentaba la dosis de radiación, lo que da optimismo de que los resultados de un solo evento serán buenos. Ahora, se están organizando pruebas de un solo evento.

La Figura 4 muestra un diagrama de bloques simplificado del QT2020 MCXO. Las señales del oscilador de modo dual se mezclan para generar frecuencia de pulsación después de ser normalizadas por un divisor de frecuencia. La frecuencia de pulsación es una diferencia entre los dos modos del oscilador y representa la temperatura del cristal. Alimenta el contador del microcontrolador para generar una lectura de temperatura digital "N1". Los datos para N1 se recopilan y almacenan en la memoria del microcontrolador. Para cada N1, un cálculo polinomial proporciona un coeficiente de corrección "N2". Un VCXO de 10 MHz proporciona la señal a uno de los contadores del microcontrolador para compararla con la señal Fo. Aquí se aplica la corrección N2. Un convertidor de digital a analógico aplica un voltaje de control al VCXO para mantenerlo en la frecuencia objetivo.

El gráfico de la Figura 5 muestra cómo el cristal tallado SC de modo dual funciona como un termómetro de autodetección. La línea curva discontinua es la curva de frecuencia frente a temperatura para el modo fundamental del cristal, y la línea curva continua es la curva de frecuencia frente a temperatura para el tercer sobretono del cristal. Cuando el oscilador se mide a cualquier temperatura dada, la lectura del tercer sobretono (dividido por 10) se divide por la lectura del fundamental, y la relación resultante se llama frecuencia de pulsación y cae en línea recta. Esto muestra exactamente a qué temperatura se encuentra el cristal en ese momento, ya que el cristal en particular se ha caracterizado con precisión por cómo su frecuencia de batido varía linealmente con la temperatura.

Las principales características de rendimiento del QT2020 MCXO muestran que es considerablemente mejor en tamaño, peso, consumo de energía y tiempo de calentamiento que cualquier OCXO y es considerablemente mejor en estabilidad de frecuencia que cualquier TCXO.

El QT2020 MCXO llena un nicho con una estabilidad mucho mejor que el mejor TCXO y ofrece la estabilidad y el ruido equivalentes a los OCXO típicos. También tiene un consumo de energía extremadamente bajo, tamaño pequeño, calentamiento rápido y está completamente certificado y clasificado hasta 50 kRAD TID. El tiempo lo dirá, pero este MCXO endurecido por radiación promete ser una tecnología revolucionaria y habilitadora. Muchos fabricantes de satélites ya están realizando pedidos, evaluando el producto y planeando volar el QT2020 MCXO en emocionantes aplicaciones del Nuevo Espacio.

Todas las imágenes utilizadas son cortesía de Q-Tech

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