Кварцевые резонаторы: назначение, применение, принцип работы, особенности использования
Современная цифровая электроника, изобилующая микропроцессорами и микроконтроллерами, просто немыслима без тактовых колебаний. А где получение тактовых колебаний — там функционирование генератора и колебательной системы, и где колебательная система — там обязательно проявляют себя и явление резонанса и такой важный параметр как добротность. Здесь то и знакомимся мы с кварцевыми резонаторами (генераторами).
Кварцевый резонатор (кварц) — генератор электромагнитных колебаний с высокой степенью постоянства частоты, в котором используются пьезоэлектрические и механические свойства кварцевой пластинки.
По принципу работы кварцевый резонатор является автогенератором с кварцевой стабилизацией частоты. Такие генераторы применяется как высокостабильный генератор задающий в измерительной аппаратуре, эталонах частоты и времени, кварцевых часах, а также в различной электронной аппаратуре.
Недостаток кварцевых резонаторов заключается в том, что он может генерировать только на фиксированных частотах, определяемых резонансной частотой кварца, и практически не допускает перестройки частот.
Все схемы кварцевые резонаторы подразделяются на две большие группы в зависимости от того, какой вид резонанса кварца (параллельный или последовательный) в них применен. Наибольшее распространение получили схемы кварцевые резонаторы, в которых кварц работает вблизи своей частоты параллельного резонанса.
Итак, кварцевый резонатор в электронной схеме выступает непревзойденной альтернативой любому колебательному контуру, состоящему из конденсатора и катушки индуктивности. Суть в высочайшей добротности кварцевых резонаторов. Тогда как хороший LC-контур достигает добротности 300, добротность кварцевого резонатора может доходить до 10000000. Как видим, превосходство составляет десятки тысяч раз. Таким образом, ни один колебательный контур не сравнится с кварцевым резонатором по добротности.
Что и говорить о влиянии температуры на резонансную частоту. Резонансная частота того же колебательного контура сильно зависит от ТКЕ (температурного коэффициента емкости) входящего в него конденсатора. Кварц же обладает очень высокой температурной стабильностью, именно по этой причине кварцевые резонаторы прочно удерживают свои позиции в роли источников колебаний для генераторов тактовой частоты различного назначения.
Как работает кварцевый резонатор
Чтобы понять как устроен и работает кварцевый резонатор, достаточно вспомнить о том, что такое пьезоэлектрический эффект. Представьте себе пластинку низкотемпературного кварца (диоксид кремния), вырезанную из кристалла определенным образом. То, под каким углом данная пластинка вырезана из кристалла, определяет электромеханические свойства изготавливаемого резонатора. Теперь на эту пластинку с двух сторон прикрепляют электроды, путем нанесения слоев никеля, платины, золота или серебра, а к ним присоединяют жесткие проволочные выводы. Всю конструкцию помещают в небольшой герметичный корпус.
Итак, получилась электромеханическая колебательная система, обладающая (благодаря природным особенностям низкотемпературного кварца) пьезоэлектрическим эффектом, и имеющая собственную резонансную частоту.
Если теперь на электроды подать переменное напряжение, частота которого близка к резонансной частоте полученной колебательной системы, то пластинка начнет механически сжиматься-расширяться с максимальной амплитудой, причем благодаря пьезоэлектрическому эффекту, чем ближе частота прикладываемого напряжения к резонансу — тем меньше будет сопротивление резонатора. В этом и заключается сходство кварцевого резонатора с высокодобротным колебательным контуром. Получился по сути аналог последовательного LC-контура.
Особенности кварцевого резонатора
Кварцевый резонатор можно представить в виде эквивалентной схемы, в которой C0-это монтажная электроемкость, образуемая металлическими выводами-держателями и электродами. C1, L и R – это емкость, индуктивность и активное сопротивление непосредственно пластинки с электродами, как аналога реального колебательного контура, получаемого за счет электромеханических свойств пластинки.
Если исключить из схемы монтажную емкость C0, то получится в явном виде последовательный колебательный контур. Что же касается обозначения резонатора на схеме, то он похож на конденсатор с прямоугольником, символизирующим кристалл кварца, между обкладками.
В процессе монтажа и демонтажа кварцевых резонаторов на платы путем пайки, следует помнить, что перегрев кварца выше 573°C чреват утратой кристаллом пьезоэлектрических свойств.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Кварцевый резонатор — структура, принцип работы, как проверить
Современная цифровая техника требует высокой точности, поэтому совсем неудивительно, что практически любое цифровое устройство, какое бы не попалось сегодня на глаза обывателю, содержит внутри кварцевый резонатор.
Кварцевые резонаторы на различные частоты необходимы в качестве надежных и стабильных источников гармонических колебаний, чтобы цифровой микроконтроллер мог бы опереться на эталонную частоту, и оперировать с ней в дальнейшем, в процессе работы цифрового устройства. Таким образом, кварцевый резонатор — это надежная замена колебательному LC-контуру.
Если рассмотреть простой колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности, то быстро выяснится, что добротность такого контура в схеме не превысит 300, к тому же емкость конденсатора будет плавать в зависимости от температуры окружающей среды, то же самое произойдет и с индуктивностью.
Не даром есть у конденсаторов и катушек такие параметры как ТКЕ — температурный коэффициент емкости и ТКИ — температурный коэффициент индуктивности, показывающие, насколько изменяются главные параметры этих компонентов с изменением их температуры.
В отличие от колебательных контуров, резонаторы на базе кварца обладают недостижимой для колебательных контуров добротностью, которая измеряется значениями от 10000 до 10000000, причем о температурной стабильности кварцевых резонаторов речи не идет, ведь частота остается постоянной при любом значении температуры, как правило из диапазона от -40°C до +70°C.
Так, благодаря высоким показателям температурной стабильности и добротности, кварцевые резонаторы применяются всюду в радиотехнике и цифровой электронике.
Для задания микроконтроллеру или процессору тактовой частоты, ему всегда необходим генератор тактовой частоты, на который он мог бы надежно опереться, и генератор этот всегда нужен высокочастотный и при том высокоточный. Здесь то и приходит на помощь кварцевый резонатор. Конечно, в некоторых применениях можно обойтись пьезокерамическими резонаторами с добротностью 1000, и таких резонаторов достаточно для электронных игрушек и бытовых радиоприемников, но для более точных устройств необходим кварц.
В основе работы кварцевого резонатора — пьезоэлектрический эффект, возникающий на кварцевой пластинке. Кварц представляет собой полиморфную модификацию диоксида кремния SiO2, и встречается в природе в виде кристаллов и гальки. В свободном виде в земной коре кварца около 12%, кроме того в виде смесей в составе других минералов также содержится кварц, и в общем в земной коре более 60% кварца (массовая доля).
Для создания резонаторов подходит низкотемпературный кварц, обладающий ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами. Химически кварц весьма устойчив, и растворить его можно лишь в гидрофторидной кислоте. По твердости кварц превосходит опал, но до алмаза не дотягивает.
При изготовлении кварцевой пластинки, от кристалла кварца под строго заданным углом вырезают кусочек. В зависимости от угла среза полученная кварцевая пластинка будет отличаться по своим электромеханическим свойствам.
От типа среза зависит многое: частота, температурная стабильность, устойчивость резонанса и отсутствие либо наличие паразитных резонансных частот. На пластинку затем наносят с обеих сторон по слою металла, коим может быть никель, платина, серебро или золото, после чего жесткими проволочками крепят пластинку в основание корпуса кварцевого резонатора. Последний шаг — корпус герметично собирают.
Так получается колебательная система, обладающая собственной резонансной частотой, и кварцевый резонатор, полученный таким образом, обладает собственной резонансной частотой, определяемой электромеханическими параметрами.
Теперь если приложить к металлическим электродам пластики переменное напряжение данной резонансной частоты, то проявится явление резонанса, и амплитуда гармонических колебаний пластинки весьма значительно возрастет. При этом сопротивление резонатора сильно понизится, то есть процесс аналогичен происходящему в последовательном колебательном контуре. В силу высокой добротности такого «колебательного контура», энергетические потери при его возбуждении на резонансной частоте пренебрежимо малы.
На эквивалентной схеме: C2 – статическая электроемкость пластинок с держателями, L – индуктивность, С1 — емкость, R – сопротивление, отражающие электромеханические свойства установленной пластинки кварца. Если убрать монтажные элементы, останется последовательный LC-контур.
В процессе монтажа на печатную плату, кварцевый резонатор нельзя перегревать, ведь конструкция его довольно хрупка, и перегрев может привести к деформации электродов и держателя, что непременно отразится на работе резонатора в готовом устройстве. Если же разогреть кварц до 5730°C, он вовсе утратит свои пьезоэлектрические свойства, но, к счастью, нагреть элемент паяльником до такой температуры невозможно.
Обозначение кварцевого резонатора на схеме похоже на обозначение конденсатора с прямоугольником между пластинами (кварцевая пластинка), и с надписью «ZQ» или «Z».
Часто причиной повреждения кварцевого резонатора является падение или сильный удар устройства, в котором он установлен, и тогда необходимо заменить резонатор на новый с той же резонансной частотой. Такие повреждения свойственны малогабаритным приборам, которые легко уронить. Однако, по статистике, подобные повреждения кварцевых резонаторов встречаются крайне редко, и чаще неисправность прибора оказывается вызвана иной причиной.
Чтобы проверить кварцевый резонатор на исправность, можно собрать небольшой пробник, который поможет не только убедиться в работоспособности резонатора, но и увидеть его резонансную частоту. Схема пробника представляет собой типичную схему кварцевого генератора на одном транзисторе.
Включив резонатор между базой и минусом (можно через защитный конденсатор на случай короткого замыкания в резонаторе), остается измерить частотомером резонансную частоту. Эта схема подойдет и для предварительной настройки колебательных контуров.
Когда схема включена, исправный резонатор станет способствовать генерации колебаний, и на эмиттере транзистора можно будет наблюдать переменное напряжение, частота которого будет соответствовать основной резонансной частоте тестируемого кварцевого резонатора.
Подключив к выходу пробника частотомер, пользователь сможет наблюдать эту резонансную частоту. Если частота стабильна, если небольшой нагрев резонатора поднесенным паяльником не приводит к сильному уплыванию частоты, то резонатор исправен. Если же генерации не будет, или частота будет плавать или окажется совсем другой, чем должна быть для тестируемого компонента, то резонатор неисправен, и его следует заменить.
Данный пробник удобен и для предварительной настройки колебательных контуров, в этом случае конденсатор C1 обязателен, хотя при проверке резонаторов его можно из схемы исключить. Контур просто подключается вместо резонатора, и схема начинает генерировать колебания аналогичным образом.
Пробник собранный по приведенной схеме замечательно работает на частотах от 15 до 20 МГц. Для иных диапазонов вы всегда можете поискать схемы в интернете, благо их там много, как на дискретных компонентах, так и на микросхеме.
Андрей Повный, редактор сайта Электрик Инфо
- Биполярные и полевые транзисторы — в чем различие
- Чем отличаются аналоговые и цифровые датчики
- Как подобрать аналог транзистора
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника
Подписывайтесь на канал в Telegram про электронику для профессионалов и любителей: Практическая электроника на каждый день
Поделитесь этой статьей с друзьями:
Где применяется кварцевый резонатор
Чтобы точно ответить, зачем нужен кварцевый резонатор, необходимо упомянуть о его главной особенности — высокодобротности, с которой он стабилизирует частотные колебания. Стабильность колебательных параметров позволяет добиться высокой точности приборов, в схемах которых задействован кварцевый резонатор.
Зачем нужен кварцевый резонатор
Кварцевый резонатор очень просто устроен — он создает частотные колебания за счет деформации элемента из искусственного кварца в виде пластины или кольца. Как материал с пьезоэлектрическим эффектом, кварц при передаче электрических импульсов от подведенных к нему электродов изменяет форму и выдает колебания с определенной частотностью, характеризующейся высокой стабильностью.
Простота конструкции делает кварцевый резонатор устойчивым к механическим, температурным и другим воздействиям. Он не ломается и не выходит из строя, имеет практически неограниченным срок службы. Отличается малыми размерами, доступен по стоимости.
Добротность, практичность, доступность и отличные эксплуатационные характеристики кварцевых резонаторов позволяет использовать их во многих устройствах:
- кварцевых генераторах и колебательных контурах;
- цифровой и вычислительной технике;
- часовых механизмах;
- измерительных приборах;
- датчиках;
- радиоэлементах и других устройствах для приема и передачи сигналов.
Как выбрать кварцевый резонатор
Чтобы обеспечить исправную работу перечисленного и другого оборудования, нужно учитывать основные характеристики кварцевого резонатора:
- диапазон частотности и рабочих температур;
- тип корпуса и монтажа;
- параметры и вес;
- стабильность частоты и долговременную нестабильность;
- допустимое отклонение.
Все необходимые характеристики кварцевых резонаторов указаны на страницах товаров в каталоге резонаторов и фильтров. При выборе ориентируйтесь на описания или проконсультируйтесь с нашими специалистами по телефону, указанному в верхней части страницы, — звонок бесплатный.
Кварцевый резонатор для чего нужен
Рассматриваются параметры кварцевых резонаторов: диапазоны частот и рабочих температур, стабильность частоты и ее зависимость от температуры, старение, типы корпусов и др. Отмечены достоинства и недостатки кварцевых резонаторов различных типов и области их применения.
Кварцевые резонаторы – это высокодобротные пьезоэлектрические элементы, которые применяются для стабилизации частоты колебаний. Они широко используются в системах связи, измерительной и бытовой аппаратуре, вычислительной технике, высокочувствительных датчиках и др. Различные типы резонаторов имеют свои достоинства и недостатки, в конечном итоге оказывающие влияние на характеристики автогенераторов. Об особенностях и областях применения кварцевых резонаторов рассказывается в этой статье.
Вследствие высокой цены природного кварца и ограниченных его запасов, в электронике используют синтетические кристаллы кварца, получаемые методом гидротермального синтеза, при температуре 350°C под давлением около двух тысяч атмосфер. Выращивание кристаллов занимает от 30 до 260 дней. По мере увеличения срока получения кварца повышаются его однородность и чистота, что приводит к сближению качественных показателей синтетического и природного кварца [1]. Большое внимание уделяется также завершающей обработке полученных пластин, поскольку любые шероховатости приводят к ухудшению электрических характеристик и увеличению уровня фликкер-шумов.
Основные характеристики, по которым оценивается качество резонаторов, – добротность, частотный и рабочий температурный диапазоны, начальная точность калибровки, показатели стабильности частоты: частотно-температурная стабильность и старение.
Поскольку кварц анизотропен, механические, электрические и температурные свойства вырезанной из него пластины зависят от угла ее наклона в кристалле (рис.1). Ориентация пластины кварца относительно кристаллографических осей более всего влияет на частотно-температурную характеристику, определяемую как максимально возможный уровень отклонения частоты резонатора от номинального значения в заданном температурном диапазоне, в интервале от нескольких минут до нескольких часов. Эта характеристика зависит от точности, с которой пластину вырезают из кристалла, и оказывает наибольшее влияние на стоимость автогенератора.
Важный параметр кварца – температура Кюри (573°C), при превышении которой он теряет большую часть пьезоэлектрических свойств и переходит в форму, получившую название бета-кварц.
Стабильность частоты кварца зависит не только от температуры, но и от внутренних изменений в кристалле с течением времени, то есть старения. На его значение оказывают влияние многие факторы, связанные с производством и эксплуатацией. Производители, как правило, указывают максимальный уровень старения в первый и последующие годы.
На процесс старения кварца влияет и радиация. Для увеличения радиационной стойкости существует специальная технология очистки (sweeping) кристалла кварца. Для этого кварц помещают в термостат с температурой в 500°C и медленно пропускают через электромагнитное поле. Это позволяет собрать все щелочные металлы, ухудшающие радиационную стойкость, в одном месте и отрезать эту часть кристалла [2].
В электронике для мегагерцового диапазона чаще всего применяются кристаллы с типом среза АТ. Для таких кварцевых пластин характерна кубическая зависимость частоты от температуры, с точкой перегиба (Ti) от 25 до 30°C, зависящей от особенностей производства. Подобная частотно-температурная характеристика позволяет обеспечить стабильные свойства для автогенераторов в более широком диапазоне температур, по сравнению со срезами BT, CT, NT, имеющими параболическую зависимость (рис.2) [3].
Недостатки AT-резонаторов – их хрупкость, длительное время вхождения в рабочий режим, наличие провалов на частотно-температурной кривой (рис.3) [2], вызванных резким изменением сопротивления резонатора при определенных температурах.
Для работы в высокотемпературных условиях применяются кварцевые пластины «с двойным вращением» (double rotated), то есть вырезанные из кристалла под углом к оптической и электрической осям. К ним относятся пластины со срезами типа FC, IT и SC. Они отличаются более высокой добротностью (около миллиона) и имеют более высокую температуру точки перегиба Ti (рис.4) [4]: для кварцев с FC-срезом Ti = 45–55°C, для пластин с IT-срезом Ti = 70–80°C, а для кварцевых пластин SC-среза Ti = 85–95°C.
Кроме того, резонаторам из кварца с двойным вращением свойственны более медленное старение, меньшая чувствительность к механическим воздействиям и большая виброустойчивость. Стоит отметить, что характеристика старения для кристаллов с двойным вращением будет соответствовать указанной производителем только после 30 дней с момента начала работы автогенератора.
При температурах ниже 60–70°C частотно-температурная стабильность резонаторов с SC-срезом резко ухудшается. Поэтому они применяются в термостатированных автогенераторах с рабочими температурами кварца 60–110°С [3]. Платой за лучшие значения параметров температурной стабильности, старения, меньший уровень фазового шума является более высокая цена, обусловленная необходимостью дополнительной коррекции угла среза и помещения кварца в вакуумный металлический корпус.
В килогерцовом диапазоне частот применяют так называемые камертонные резонаторы. Свое название они получили из-за внешнего вида (см. рис.1). Возможный диапазон частот для таких резонаторов составляет 30–500 кГц. Наиболее распространенная номинальная частота резонаторов этого типа – 32,768 кГц. Такие резонаторы применяются в часовой промышленности. Автогенераторы на основе этих резонаторов потребляют весьма малую мощность, что делает их незаменимыми в устройствах с батарейным питанием.
Схема замещения кварцевой пластины представляет собой колебательный контур [1, 2, 5]. Механические режимы колебаний зависят от типа среза кварцевого резонатора (рис.5). Эти колебания могут происходить на частотах как первой, так и третьей, пятой, седьмой, а иногда и девятой гармоник. Так, например, для кварцевых резонаторов с АТ-срезом колебания на основной частоте происходят до 30–40 МГц, на третьей гармонике – до 60–65 МГц, на пятой – до 125 МГц, на седьмой – до 256 МГц.
Кварцевые пластины, работающие на гармониках, имеют более высокую добротность, низкие уровни джиттера и фазового шума. Недостатки таких режимов – более высокий уровень негармонических искажений, для снижения которого изменяют форму и размеры напыляемых электродов. Кроме того, для кварца с АТ-срезом колебания на частоте первой (75–350 МГц) или более высоких (150–800 МГц) гармоник можно получить [2], используя технологию «инвертированных меза-кристаллов» (рис.6). Эта технология основана на зависимости частоты колебаний от толщины резонатора и заключается в вырезании из пластины кварца центральной области определенного размера. Такие резонаторы применяют для высокочастотных тактовых генераторов. Недостатки данной технологии – более высокий показатель старения ± (2–3 ppm) и увеличение стоимости кварцевого резонатора. Последнее обусловлено сложностью вытравливания центральной области и необходимостью использования предварительно очищенного кварца.
Компаниями-производителями (см. таблицу) [6–31] предлагаются кварцевые резонаторы с различными типами срезов в металлических или керамических корпусах нескольких видов (рис.7), толщиной от 13 до 0,7 мм для частотного диапазона 1,84–350 МГц. Рабочий частотный диапазон кварцевого резонатора зависит не только от особенностей его производства, но и от типа корпусирования (рис.8).
В корпусах типа HС-49/U (рис.9а) или HC-35/U (рис.9б) выводы кварцедержателей изолируются от металлического основания стеклянными уплотнителями. При сгибании или укорочении выводов уплотнители вследствие их хрупкости могут сломаться, что нарушит герметичность кварцедержателя. В процессе эксплуатации такие нарушения условий вакуумирования ухудшают показатели стабильности частоты. Для устранения этого недостатка по возможности используется SMD-корпусирование (рис.9в). Целостность стеклянных уплотнителей в этом случае тестируется производителем.
В качестве базового напыления электродов используют золото или серебро. Для окончательной корректировки частоты часть напыления при необходимости удаляется. Золото из-за более высокой стоимости применяется для высокочастотных прецизионных кварцевых резонаторов.
Для прецизионных высокодобротных кварцевых резонаторов используют более сложные системы их крепления. Так, компания Vectron International разработала конструкцию крепления пьезопластины на четырех разгружающих опорах (Quad Relief Mount, QRM) (рис.10) [7]. Основные преимущества данной конструкции – увеличение долговременной стабильности частоты и виброустойчивости. Испытания резонаторов с данной конструкцией кристаллодержателя показали их низкую чувствительность к вибрациям вплоть до величин 10 g.
Свойства кварцевых резонаторов в конечном итоге определяют такие важные характеристики автогенераторов, как стабильность частоты, рабочий температурный диапазон, возможность перестройки частоты и др. Многообразие срезов кварцев позволяет подобрать нужный вариант в зависимости от области применения.