Los osciladores son componentes imprescindibles para los mecanismos de sincronización horaria. Marcan el paso del tiempo y aseguran la calidad de los relojes de un sistema. Cuanto más preciso es un oscilador, menos desfase sufrirá el reloj en el tiempo. Sin embargo, no existe un tipo de oscilador idóneo para todos los casos.
Elegir un oscilador significa hacer una concesión entre precio, capacidad y rendimiento. Una de las métricas importantes para elegir el oscilador más adecuado es la estabilidad. Se expresa en ppm (partes por millón) frente a un cambio de temperatura, o en el tiempo. Si un oscilador tiene una frecuencia nominal de 10MHz, un desfase de 1 ppm corresponde a una variación de más o menos 10Hz.
Existen 4 principales tipos de osciladores: los osciladores MEMS: Microelectromechanical Systems; TCXO: Temperature-Compensated Crystal Oscillator; OXCO: Oven-Controlled Crystal Oscillator y los osciladores de rubidio.
Los osciladores MEMS
Los osciladores MEMS (MicroElectroMechanical System) son los más fáciles de usar y baratos. Su principio de operación se basa en resonadores micromecánicos, a menudo de silicio. Estos resonadores vibran a una frecuencia específica cuando se excitan eléctricamente. Las ventajas de los osciladores MEMS son su gran resistencia a los impactos y su operación en un amplio rango de temperatura.
Los mejores osciladores MEMS pueden funcionar en entornos de -40 hasta +150°C. Son pequeños, relativamente robustos y consumen poca energía. Desafortunadamente, estos osciladores ofrecen menos precisión que otros osciladores y menos estabilidad en el tiempo. Estos osciladores son perfectamente adecuados para los dispositivos portátiles que funcionan con baterías, como sensores u objetos IdC.
Osciladores TCXO
Los osciladores TCXO (Temperature-Compensated Crystal Oscillator) son osciladores de cuarzo con compensación de temperatura. Utilizan la vibración de un cristal de cuarzo para generar una frecuencia que permite medir el paso del tiempo. Compensan los puntos débiles de los osciladores de cuarzo tradicionales frente a los cambios de temperatura al tener circuitos especiales (analógicos o digitales) que pueden modificar la frecuencia de salida en función de la temperatura. Esto les permite operar en un intervalo de temperatura que va de -40 a +85°C. Además, ofrecen un mejor nivel de precisión y de estabilidad que los osciladores MEMS; de hecho, su estabilidad de frecuencia es de 0,1 a 2 ppm/°C. Esta gran estabilidad abre las puertas a numerosas aplicaciones como las telecomunicaciones, los receptores GPS o los sensores industriales.
Osciladores OCXO
Los osciladores OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator) son osciladores de cuarzo altamente precisos y estables en el tiempo. El principio de estos osciladores no consiste en ajustar la frecuencia de salida en función de la temperatura como lo hacen los osciladores TCXO, pero en controlar la temperatura del cristal de cuarzo para garantizar la frecuencia.
Por tanto, operan dentro de un horno pequeño que permite mantener el cristal a una temperatura óptima de 70° -90°C, cualquiera que sea la temperatura externa.
Al evitar las variaciones de temperatura del cristal, los osciladores OCXO pueden alcanzar una tasa de deriva de solamente 0,01 ppm/°C, lo que los convierte en los osciladores de cuarzo más precisos del mercado. Asimismo, su estabilidad a largo plazo es excelente, con una tasa de deriva de solamente 0,1 ppm al año. Estos osciladores suelen ocupar más espacio que los osciladores MEMS o TCXO, aunque existen versiones en miniatura. También son más caros de producir y consumen más energía. Se recomienda su uso para las aplicaciones que requieren una excelente estabilidad y en las que el coste es una preocupación secundaria. Las aplicaciones militares, que no pueden tolerar una tasa de deriva demasiado significativa, suelen utilizar este tipo de oscilador.
Oscilador de rubidio
Los osciladores de rubidio son los osciladores comerciales más estables. Su operación no se basa en la vibración de un cristal pero en la resonancia atómica de los átomos de rubidio.
Los osciladores de rubidio forman parte de la categoría de los relojes atómicos, aunque son menos precisos que los relojes de cesio. Su modo de operación les hace casi insensibles a las variaciones de temperatura, lo que explica que su tasa de deriva no se exprese en ppm/°C sino en ppm/día. Es aproximadamente de 10^-11 a 10^-12 ppm/día, lo que proporciona un mejor rendimiento que el de los osciladores de cuarzo y MEMS. Este nivel de rendimiento supone un coste mucho más elevado y un tamaño más importante. Se suelen utilizar en los satélites y nanosatélites o en aplicaciones que requieren una estabilidad infalible y durable en el tiempo (es decir, varios años).
| Tipo de oscilador | Estabilidad de frecuencia (ppm/°C) | Estabilidad a largo plazo |
|---|---|---|
| MEMS | 1 a 50 ppm/°C | Unos ppm/año |
| TCXO | 0,1 a 2 ppm/°C | ≈ 1 ppm/año |
| OCXO | ≤ 0,01 ppm/°C | ≈ 0,1 ppm/año |
| Rubidio | 10 |
≈ 0,001 ppm/año |
Tabla resumen de las características de cada tipo de oscilador
La elección entre diferentes osciladores se hace naturalmente dependiendo de la aplicación final requerida y de los límites de espacio/estabilidad/presupuesto asociados. Sin embargo, son constantes los avances tecnológicos en este sector y resulta importante mantenerse al día de las novedades. Por ejemplo, se han visto recientemente osciladores MEMS con compensación de temperatura que alcanzan un nivel de estabilidad que sólo pueden alcanzar los osciladores de cuarzo de muy alta calidad.
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