Лекция
Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про кварцевый резонатор, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое кварцевый резонатор , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.
кварцевый резонатор , жарг. кварц — прибор, в котором пьезоэлектрический эффект и явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы.
Несмотря на то, что вместо кварца часто используются и другие пьезоэлектрики, например, керамика (Керамический резонатор), прилагательное «кварцевый» является общеупотребительным для всех таких устройств
В современной электронике, особенно в цифровой сложно не найти электронный компонент под названием кварцевый резонатор. По своей сути, кварцевый резонатор является аналогом колебательного контура на основе емкости и индуктивности. Правда, кварцевый резонатор превосходит LC-контур по очень важным параметрам.
Как известно, колебательный контур характеризуется добротностью. Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой добротностью, которая недостижима при использовании обычного колебательного LC-контура. Если добротность обычных контуров лежит в пределах 100 – 300, то для кварцевых резонаторов величина добротности достигает 105 – 107.
Ёмкость конденсатора довольно сильно зависит от температуры окружающей среды. У конденсаторов даже есть параметр, который называется ТКЕ (температурный коэффициент емкости). Он показывает насколько измениться емкость конденсатора при изменении температуры.
Естественно, при применении конденсатора в составе LC-контура, частота его колебаний будет очень сильно зависеть от внешней температуры среды. То же касается и индуктивности, у которой также есть своя температурная характеристика - ТКИ.
Понятно, что для использования в цифровой технике (в том числе и в технике связи) требуется более стабильный и надежный источник гармонических колебаний.
Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой температурной стабильностью. Именно благодаря высокой добротности и температурной стабильности кварцевые резонаторы применяются в радиотехнике очень активно.
Любой процессор или микроконтроллер работает на определенной тактовой частоте. Понятно, что для задания тактовой частоты необходим генератор. Такой генератор в качестве источника высокоточных гармонических колебаний, как правило, использует кварцевый резонатор. В тех схемах, где высокая добротность не требуется, могут применяться резонаторы на основе керамики – керамические резонаторы. Добротность резонаторов на основе пьезокерамики составляет не более 103. Их можно встретить в пультах дистанционного управления, электронных игрушках, бытовых радиоприемниках.
Принцип работы кварцевого резонатора целиком и полностью опирается на пьезоэлектрический эффект. Основой любого кварцевого резонатора является пластинка из кварца. Кварц – это одна из разновидностей кремнезема SiO2. Для изготовления резонаторов пригоден только лишь низкотемпературный кварц, который обладает пьезоэлектрическими свойствами. В природе такой кварц встречается в виде кристаллов и бесформенной гальки. Для изготовления резонаторов используют как натуральный так и синтетический кристалл кварца.
Оптический и пьезоэлектрический синтетический кварц применяется в технике, в том числе в персональных компьютерах, оптике и телеметрии, цифровых видеокамерах и фотоаппаратах, радио- и телекоммуникационных устройствах, системах дистанционного управления и автоматического контроля, радарном и радионавигационном оборудовании, для подложек высокого качества, а также в часовой промышленности.
Синтетический кварц, выращенный гидротермальным методом, широко используется в ювелирной промышленности, - особенное его цветные разновидности.
Свойства синтетического кварца
Химическая формула: SiO2
Твердость (шкала Мооса): 7
Плотность: 2,65
Показатель преломления: 1,544 – 1,553
Дисперсия: 0,013
Кристаллическая решетка: тригональная
Диэлектрическая постоянная: 4,5
Температура фазового перехода: 573°C
Кварц-пластины
Кристалл кварца
Синтетический кварц. Большой кристалл~20 см
Химически кварц очень устойчив и не растворяется ни в одной из кислот, за исключением плавиковой. Также кварц очень твердый. На шкале твердости он занимает седьмое место из десяти.
Чтобы изготовить кварцевую пластинку берется кристалл кварца и из него под определенным углом вырезается пластинка. От угла, под которым происходит срез, зависят электромеханические свойства кварцевой пластины. Тип среза существенно влияет на температурную стабильность, количество паразитных резонансов, резонансную частоту.
Далее на две стороны кварцевой пластины наносят металлизированный слой (из серебра, никеля, золота или платины) и посредством жестких проволочных контактов закрепляют в кварцедержателе. Всю эту конструкцию помещают в герметичный корпус.
Кварцевый резонатор является электромеханической колебательной системой. Как известно, любая колебательная система обладает своей резонансной частотой. У кварцевого резонатора также есть своя номинальная резонансная частота. Если приложить к кварцевой пластине переменное напряжение, которое совпадает с резонансной частотой самой кварцевой пластины, то происходит резонанс частот и амплитуда колебаний резко возрастает.
При резонансе электрическое сопротивление резонатора уменьшается. В результате получается эквивалент последовательной колебательной системы. Поскольку потери энергии в кварцевом резонаторе очень малы, то он фактически представляет собой электрический колебательный контур с очень большой добротностью.
Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора изображена на рисунке.
Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора
Здесь С0 – это постоянная (статическая) емкость образующаяся за счет металлических пластин-электродов и держателя. Последовательно соединенные индуктивность L1,конденсатор С1 и активное сопротивление Rакт. отражают электромеханические свойства кварцевой пластинки. Как видим, если отбросить емкость монтажа и кварцедержателя С0, то получиться последовательный колебательный контур.
При монтаже кварцевого резонатора на печатную плату стоит позаботиться о том, чтобы не перегреть его. Эта рекомендация наверняка связана с тем, что конструкция кварцевого резонатора довольно тонкая. Температурный перегрев может вызвать деформацию кварцедержателя и пластинок-электродов. Естественно, все это может отразиться на качестве работы резонатора в схеме.
Также известно, что если кварц нагреть свыше 5730 С, то он превращается в высокотемпературный кварц и лишается своих пьезоэлектрических свойств. Конечно, довести температуру кварца до такой температуры оборудованием для пайки нереально.
На пластинку, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца определенным образом, нанесены 2 и более электродов — проводящие полоски.
Пластинка закреплена и имеет собственную резонансную частоту механических колебаний.
При подаче напряжения на электроды благодаря пьезоэлектрическому эффекту происходит изгибание, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кусок кристалла.
Однако колеблющаяся пластинка в результате того же пьезоэлектрического эффекта создает во внешней цепи противо-ЭДС, что можно рассматривать как явление, эквивалентное работе катушки индуктивности в колебательном контуре.
Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это тоже соответствует поведению колебательного контура.
На принципиальных схемах и в технической документации кварцевый резонатор обозначается наподобие конденсатора, только между пластинами добавлен прямоугольник, который символизирует пластинку кварца. Рядом с графическим изображением указывается буква Z или ZQ.
К сожалению, достоверно проверить кварцевый резонатор можно только заменой.
Причиной неисправности кварцевого резонатора может быть сильный удар либо падение электронного прибора, в котором он был установлен. Поэтому если есть подозрение в исправности кварцевого резонатора, то его стоит заменить новым. К счастью в практике ремонта неисправность кварцевого резонатора встречается редко, конечно, есть и исключения, но они относятся к портативной электронике, которую частенько роняют.
Кварцевый резонатор в герметичном стеклянном корпусе пальчикового бесцокольного исполнения
Резонатор на 4 МГц в миниатюрном металлическом герметизированном корпусеHC-49/US
Металлические корпуса разнообразных размеров
Пьезоэлектрический эффект был впервые открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 г. Поль Ланжевен впервые использовал этот эффект в часовом резонаторе гидролокатора перед первой мировой войной. Первый кристальный резонатор, работающий на сегнетовой соли, был изготовлен в 1917 году и запатентован в 1918 году Александром М. Николсоном (Alexander M. Nicholson) из компании Bell Telephone Laboratories, хотя это оспаривалось Уолтером Гейтоном Кэди (Walter Guyton Cady), который изготовилкварцевый резонатор в 1921 году. Некоторые улучшения в кварцевые резонаторы вводились позже Льюисом Эссеном и Джорджом Вашингтоном Пирсом (George Washington Pierce).
Первые стабильные по частоте кварцевые резонаторы были разработаны в 1920—30-х годах. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Начиная с 1926 года, кварцевые резонаторы на радиостанциях использовались в качестве задающих несущую частоту элементов. В то же время резко возросло количество компаний, начавших выпускать кварцевые резонаторы; только до 1939 года в США было выпущено более чем 100 000 ед.
Одним из самых популярных видов резонаторов являются резонаторы, применяемые в часовых схемах. Резонансная частота часовых резонаторов 32768 Гц, поделенная на 15-разрядном двоичном счетчике, дает интервал времени в 1 секунду.
Применяются в генераторах с фиксированной частотой, где необходима высокая стабильность частоты. В частности, в опорных генераторах синтезаторов частот и в трансиверных радиостанциях для формирования DSB-сигнала на промежуточной частоте и детектирования SSB или телеграфного сигнала.
Также применяются в кварцевых полосовых фильтрах промежуточной частоты супергетеродинных приемников. Такие фильтры могут выполняться по лестничной или дифференциальной схеме и отличаются очень высокой добротностью и стабильностью по сравнению с LC-фильтрами.
По типу корпуса кварцевые резонаторы могут быть выводные для объемного монтажа (стандартные и цилиндрические) и для поверхностного монтажа (SMD).
Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры, как допуск по частоте (отклонение частоты), стабильность частоты, нагрузочная емкость, старение.
Термостатированные генераторы (OCXO) предназначены для проектов, в которых температурная нестабильность частоты не должна превышать ±0.5ppm. Такие кварцевые генераторы включают в себя схему подогрева и устанавливаются в специальный корпус, что позволяет поддерживать рабочую температуру генератора постоянной и, следовательно, получать высокую стабильность частоты, вплоть до ±0.1ppb. В большинстве случаев, у термостатированных генераторов есть функция частотной подстройки, либо управляющим напряжением, либо механически.
Принципиальные схемы
Рис.1 Упрощенная схема прямой компенсации TCXO
Рис.2 Упрощенная схема косвенной компенсации TCXO
применение
TCXO для GPS
TCXO для сети
Принципиальные схемы
Рис.3 Характеристики управляющего напряжения VCXO (положительный наклон)
Рис.4 Характеристики управляющего напряжения VCXO (отрицательный наклон)
NDK активно сотрудничает с производителями микроконтроллеров, различных чипсетов и модулей, а также ведет постоянную тесную работу с конечными заказчиками, применяющими в своих изделиях различные чипсеты и кварцевую продукцию. Свой опыт производства кварцевых продуктов, а также опыт сотрудничества с производителями чипсетов и модулей NDK готов предлагать своим заказчикам для облегчения их работы по подбору компонентов для своих изделий. NDK располагает двумя лабораториями – одна в Японии на базе фабрики в г. Саяма и другая в Германии в г. Зинсхайме, где в сотрудничестве с крупнейшими производителями микропроцессоров и чипсетов проводит большую работу по проведению испытаний, направленных на достижение наилучшей совместимости кварцевых компонентов NDK с микросхемами ведущих производителей (IC matching test).
Кварцевые резонаторы, подключаемые к различным микросхемам, микропроцессорам, БИС/СБИС (LSI/VLSI), в некотором смысле являются «дирижерами», управляющими многими тысячами логических элементов, поэтому качество совместной работы микросхем и подключаемых к ним резонаторов имеет важное значение для работы всего устройства (прибора, системы) в целом.
Для обеспечения стабильной работы на заданных частотах внутренних тактовых генераторов микросхем с внешними кварцевыми резонаторами необходим правильный выбор номиналов внешних компонентов, в общем случае подключаемых к резонатору по схеме, приведенной на рис. 10. Показанные на схеме инвертирующий усилитель и буфер являются внутренними элементами микросхем. В ряде случаев резистор Rf может не устанавливаться, а вместо резистора Rd устанавливаться перемычка, иногда не требуется установка и конденсаторов на входе или выходе генератора. При работе в штатном режиме кварцевый резонатор и конденсаторы образуют П-образный фильтр, обеспечивающий фазовый сдвиг 180°, необходимый для запуска генератора на частоте, определяемой резонатором (так называемая схема генератора Пирса).
При проведении тестов на совместимость микросхем компания NDK экспериментально определяет параметры, имеющие важнейшее значение для стабильного запуска и функционирования кварцевого резонатора в составе конкретных микросхем при определенных условиях.
Как уже было сказано, в лабораториях NDK постоянно проводится ряд тестов по определению типов кварцевых резонаторов, в наибольшей степени подходящих для использования совместно с микропроцессорами и БИС основных серий таких компаний, как STM, TI, Microchip, NXP, Renesas и др.
В результате NDK имеет и готовы предоставлять своим клиентам данные по одобренным и рекомендованным компонентам NDK для работы с теми или иными чипсетами и модулями.
Также NDK предлагает своим клиентам провести тесты плат заказчика в своих лабораториях, на основе которых NDK даст свои рекомендации по работе чипсета и частотозадающих элементов в конкретной схеме заказчик
Нижеследующее обсуждение относится к стандартам частоты в широком диапазоне температур (то есть к тем, которые предназначены для работы в диапазоне температур, который охватывает по меньшей мере 90 ° C). Лабораторные приборы, которые работают в гораздо более узком диапазоне температур, могут иметь лучшую стабильность, чем в приведенном ниже сравнении.
Коммерчески доступные источники частот охватывают диапазон точности в несколько порядков - от простого XO до стандарта частоты луча цезия. С увеличением точности возрастают требования к мощности, размеру и стоимости. Например, на рисунке 34 показана взаимосвязь между точностью и потребностью в мощности. Точность в сравнении с затратами будет аналогичной и колеблется от примерно 1 долл.
США для простого ХО до примерно 40 000 долл. США для стандарта цезия (цены 1991 года). Таблица 1 показывает сравнение существенных характеристик стандартов частоты. На рисунке 35 показано сравнение кратковременных диапазонов стабильности частоты как функции времени усреднения [43]. На рисунке 36 показано сравнение характеристик фазового шума, а в таблице 2 показано сравнение слабых мест и механизмов износа.
Рис. 34. Соотношение между точностью и требованиями к мощности (XO = простой кварцевый генератор; TCXO = температурно-компенсированный кварцевый генератор; OCXO = управляемый печью кварцевый генератор; Rb = рубидиевый стандарт частоты; Cs = цезиевый стандарт частоты пучка).
Рисунок 35. Стабильность как функция сравнения времени усреднения стандартов частоты.
Рисунок 36. Сравнение фазовой нестабильности стандартов частоты.
| Кварцевые генераторы | Атомные генераторы | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| ТСХО | MCXO | ОСХО | Рубидий | RbXO | цезий | |
| Точность * (в год) |
2 х 10 -6 | 6 х 10 -8 | 1 х 10 -8 | 5 х 10 -10 | 7 х 10 -10 | 2 х 10 -11 |
| Старение / год | 5 х 10 -7 | 2 х 10 -8 | 5 х 10 -9 | 2 х 10 -10 | 2 х 10 -10 | 0 |
| Температура Stab. (диапазон, ° С) |
5 х 10 -7 (от -55 до +85) |
3 х 10 -8 (от -55 до +85) |
1 х 10 -9 (от -55 до +85) |
3 х 10 -10 (от -55 до +68) |
5 х 10 -10 (от -55 до +85) |
2 х 10 -11 (от -28 до +65) |
| Стабильность, s y ( t ) ( t = 1 с) |
1 х 10 -9 | 3 х 10 -10 | 1 х 10 -12 | 3 х 10 -12 | 5 х 10 -12 | 5 х 10 -11 |
| Размер (см 2 ) |
10 | 50 | 20-200 | 800 | 1200 | 6000 |
| Время прогрева (мин.) |
0,1 (до 1 х 10 -6 ) |
0,1 (до 2 х 10 -8 ) |
4 (до 1 х 10 -8 ) |
3 (до 5 х 10 -10 ) |
3 (до 5 х 10 -10 ) |
20 (до 2 х 10 -11 ) |
| Мощность (Вт) (при самой низкой температуре) |
0,05 | 0.04 | 0.6 | 20 | 0,65 | 30 |
| Цена (~ $) | 100 | 1000 | 2000 | 8000 | 10000 | 40000 |
* Включая воздействие на окружающую среду (обратите внимание, что диапазоны температур для Rb и Cs уже, чем для кварца).
Таблица 1. Сравнение основных характеристик стандартов частоты.
| Слабое место | Механизмы износа | |
|---|---|---|
| кварцевый | износ. радиационная безопасность |
нет |
| Рубидий | не изнашиваются мощность Вес |
Истощение рубидия Буферный газ истощение Загрязнения стекла |
| цезий | не изнашиваются мощность Вес Стоимость Диапазон температуры |
Истощение запаса цезия Отработанный цетриевый геттеринг Производительность ионного насоса |
Таблица 2. Сравнение слабых мест стандартов частоты и механизмов износа.
Характеристики приведены в таблице 1 для атомных генераторов: эталонов частоты рубидия и цезия и генератора рубидий-кристалл (RbXO). В стандартах атомной частоты частота выходного сигнала определяется разностью энергий между двумя атомными состояниями, а не каким-либо свойством объемного материала (как в кварцевых генераторах). Вступительный обзор стандартов атомной частоты можно найти в ссылке 44, а ссылка 45 представляет собой обзор литературы до 1983 года. (Ссылка 44 рассматривает как атомные, так и кварцевые стандарты частоты; отчет, который вы читаете, основан на кварцевой части этот документ.) RbXO - это устройство, предназначенное для приложений, в которых доступность энергии ограничена, но где требуется стандартная точность атомной частоты [46,47]. Он состоит из стандарта частоты рубидия, маломощного и высокостабильного кварцевого генератора и схемы управления, которая регулирует частоту кварцевого генератора в соответствии со стандартом рубидия. Рубидиевый стандарт включается периодически (например, раз в неделю) на несколько минут, необходимых для его прогрева и корректировки частоты кварцевого генератора. С RbXO можно приблизиться к долговременной стабильности рубидиевого стандарта с низкой (средней) потребностью в мощности кварцевого генератора. один раз в неделю) в течение нескольких минут он прогревается и корректирует частоту кварцевого генератора. С RbXO можно приблизиться к долговременной стабильности рубидиевого стандарта с низкой (средней) потребностью в мощности кварцевого генератора. один раз в неделю) в течение нескольких минут он прогревается и корректирует частоту кварцевого генератора. С RbXO можно приблизиться к долговременной стабильности рубидиевого стандарта с низкой (средней) потребностью в мощности кварцевого генератора.
Основные вопросы, на которые нужно ответить при выборе генератора, включают в себя:
Что касается второго вопроса, какие затраты должны быть минимизированы: первоначальная стоимость приобретения или стоимость жизненного цикла? Часто стоимость повторной калибровки намного выше, чем дополнительная стоимость генератора, который может обеспечить жизнь без калибровки. Лучший генератор также может позволить упростить конструкцию системы.
Частота генератора является еще одним важным фактором, поскольку выбор может оказать существенное влияние как на стоимость, так и на производительность. При прочих равных условиях генератор стандартной частоты, такой как 5 МГц или 10 МГц, для которого производители имеют хорошо зарекомендовавшие себя конструкции, будет стоить дешевле, чем одна из необычных частот, например 8,34289 МГц. Более того, для кристаллов со сдвигом по толщине, таких как AT-разрез и SC-разрез, чем ниже частота, тем ниже старение . Поскольку на частотах значительно ниже 5 МГц кристаллы со сдвигом толщины становятся слишком большими для экономичного производства, и поскольку все генераторы с наивысшей стабильностью используют сдвиговые кристаллы толщины, частота серийно выпускаемого генератора с самой высокой стабильностью составляет 5 МГц. Такие генераторы также будут иметь самую низкую способность фазового шума близко к несущей. На рынке также есть несколько отличных генераторов на 10 МГц; однако генераторы с гораздо более высокой частотой, чем 10 МГц, имеют значительно более высокие скорости старения и уровни фазового шума вблизи несущей, чем генераторы с частотой 5 МГц. Для самого низкого фазового шума вдали от несущей, где отношение сигнал / шум определяет уровень шума, высокочастотные кристаллы (например, 100 МГц) могут обеспечивать более низкий шум, поскольку такие кристаллы могут выдерживать более высокие уровни возбуждения, тем самым обеспечивая более высокие уровни сигнала , Генераторы с гораздо более высокой частотой, чем 10 МГц, имеют значительно более высокие скорости старения и уровни фазового шума вблизи несущей, чем генераторы с частотой 5 МГц. Для самого низкого фазового шума вдали от несущей, где отношение сигнал / шум определяет уровень шума, высокочастотные кристаллы (например, 100 МГц) могут обеспечивать более низкий шум, поскольку такие кристаллы могут выдерживать более высокие уровни возбуждения, тем самым обеспечивая более высокие уровни сигнала , Генераторы с гораздо более высокой частотой, чем 10 МГц, имеют значительно более высокие скорости старения и уровни фазового шума вблизи несущей, чем генераторы с частотой 5 МГц. Для самого низкого фазового шума вдали от несущей, где отношение сигнал / шум определяет уровень шума, высокочастотные кристаллы (например, 100 МГц) могут обеспечивать более низкий шум, поскольку такие кристаллы могут выдерживать более высокие уровни возбуждения, тем самым обеспечивая более высокие уровни сигнала ,
Пожалуйста, пиши комментарии, если ты обнаружил что-то неправильное или если ты желаешь поделиться дополнительной информацией про кварцевый резонатор Надеюсь, что теперь ты понял что такое кварцевый резонатор и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Комментарии
Оставить комментарий
Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Термины: Электроника, Микроэлектроника , Элементная база