Нагрузочная емкость кварцевого резонатора: Нагрузочная емкость кварцевого резонатора — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Вопрос — Миландр

На резонаторе, согласно стандартам, указывается частота последовательного резонанса, и если она маркируется в целых числах килогерц — это работа на основной гармонике, а если в мегагерцах через запятую — речь идёт об обертонной гармонике.

Например: РГ-05-18000кГц — резонатор для работы на основной частоте, а РГ-05-27,465МГц — для работы на третьей обертонной гармонике.

Обертоны, или как еще их называют, моды или гармоники – это кратные частоты, выше основной частоты кварца. С помощью специальных фильтров гасят основную частоту кварца и выделяют обертон. В кварцевом резонаторе в режиме обертонов используют нечетные обертоны. Если основная частота кварца F – это первый обертон, то его рабочие обертоны будут как 3F, 5F, 7F, 9F. Стоит также отметить, что амплитуда обертона убывает с ростом его частоты, поэтому далее 9 обертона смысла брать уже нет, так как выделять амплитуду маленького сигнала очень трудно.

Пример: возьмем кварцевый резонатор с частотой в 10 МГц. Тогда можно возбудить колебания на обертонах 30 МГц (третий обертон), 50 МГц (пятый обертон), 70 МГц (седьмой обертон) и максимум 90 МГц (девятый обертон)

Генерируемая частота на обертонной гармонике не совпадает точно с соответствующей электрической гармоникой (то есть умноженной внешним умножителем), а всегда ниже (это вытекает из физической модели кристалла с обкладками — «присоединённой массой»).

Утверждение, что все генераторы работают на частоте параллельного резонанса неверное!

Распространённые схемы с двумя инверторами, используемые для тактирования логики, возбуждаются на частоте

последовательного резонанса.

Выделим общее правило:
Схемы с кварцевым резонатором в цепи положительной обратной связи работают на последовательном резонансе (Fs), а «трёхточки«, где кварц используется, как эквивалентная индуктивность — на частоте параллельного резонанса (Fp), а если точнее, то всегда на небольшом отклонении, так как точно на частоте Fp импеданс стремится к бесконечности.

Для тактирования микроконтроллеров Миландр используется параллельный резонанс.

Нагрузочная емкость резонатора для HSE

На рисунке 1 приведено подключение кварцевого резонатора к микроконтроллеру с указанием всех важных емкостей.
Рисунок 1 — Подключение кварцевого резонатора к микроконтроллеру

Нагрузочная емкость резонатора рассчитывается по формуле:

СL = CL1 * CL2 / (CL1 + CL2) + CS,

где

СL — Номинальная нагрузочная емкость резонатора из спецификации для HSE
CS — Паразитная емкость на плате. Обычно берут в диапазоне 3-10 пФ.
СL1 = CL2 — Нагрузочные емкости на плечах резонатора

Информация приведена в справочном виде, и в каждом уникальном случае емкость рассчитывается индивидуально.

виды и применение, маркировка и устройство

Кварцевые резонаторы – специальные электромеханические устройства. Их базой служат особый пьезоэлемент, изготавливаемый из кварцевых кристаллов. Состоит такой резонатор из непосредственно самого пьезоэлемента, кварцедержателя. Элемент обеспечивает включение электродов и самого кристаллического элемента. Форма этого элемента имеет разную форму. Он может быть круглым, прямоугольным или любым другим, что необходимо для облегчения составления электросхем.

Также различаются они по своим физическим габаритам. Сам пьезоэлемент производит механические движения, который производятся посредством движения электронов. В статье приведена подробная информация об устройстве кварцевого резонатора, сфера их использования. Также в статье приведена подробная научная статья и видеоматериал.

Кварцевый резонатор.

Свойства кварцевого резонатора

Кристаллический элемент пьезоэлектрического резонатора входит в состояние резонанса, и действующие внутри него механические напряжения претерпевают наиболее резкие изменения по величине и фазе при сравнительно небольших вариациях частоты колебаний; полное электрическое сопротивление системы изменяется при этом аналогичным образом. При использовании этого явления пьезоэлектрический кристалл помещают в высокочастотное электрическое поле, например между двумя металлическими электродами, закрепляя его определенным способом (механически) так, чтобы расположение всех элементов устройства оставалось неизменным в процессе работы.

Разнообразные кварцевые резонаторы.

Механическая система, в которой закрепляется кварцевый элемент и которая несет элементы конструкции, необходимые для возбуждения кварца, носит название кристаллодержателя. Если на электроды, между которыми помещен кварцевый элемент, подается переменное электрическое напряжение, то механические напряжения и деформации в кристалле также будут переменными, и при частоте переменного электрического напряжения, равной частоте собственных механических колебаний кварца, возникает механический резонанс. При этом на гранях кварцевого элемента, а следовательно, и на электродах кристаллодержателя появляются переменные заряды, величина и фаза которых определяются комплексной амплитудой механических напряжений в кристалле. Полная таблица частот кварцевых резонаторов представлена в таблице ниже (кликабельна для увеличения).

Таблица частот кварцевых резонаторов.

Взаимодействие этих зарядов с зарядами, создаваемыми приложенным извне переменным электрическим полем, изменяет соотношение между напряжением на электродах кристаллодержателя с кварцем и током через него, причем электрическое сопротивление системы переменному току изменяется с частотой последнего.

Наличие прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта позволяет рассматривать резонанс кварца или как явление механических колебаний упругого твердого тела, воздействующих вследствие пьезоэффекта на электрическое поле, или как явление электрических колебаний некоторой электрической цепи, эквивалентной кварцевому резонатору. Оба способа рассмотрения приводят к одинаковому результату: параметры электрической эквивалентной схемы могут быть выражены через физические константы кристалла и через электрическую связь между кварцевым элементом и держателем.

Обычно кварцевый резонатор, представляющий собой пьезоэлектрический кристалл, закрепленный в держателе, является частью некоторой внешней электрической цепи, выполняющей определенные функции в том или ином радиотехническом устройстве, предназначенном для решения конкретной технической задачи. Естественно, что только второй способ рассмотрения кварцевого резонатора может удовлетворить практическим требованиям, поэтому знание эквивалентной электрической цепи, заменяющей элемент и кристаллодержатель, ее формы и параметров является весьма важной для практики задачей. Если эквивалентная электрическая схема по своей форме, параметрам и пределам применения определена так, что она вполне строго (при указанных ограничениях) отражает явления, происходящие в колеблющемся пьезокварце, то это позволяет рассматривать теоретические вопросы кварцевого резонатора как элемента внешней электрической цепи изолированно от самого кристалла и решать технические задачи, в которых используется пьезокварц, обычными методами, применимыми к линейным электрическим цепям.

Материал в тему: все о переменном конденсаторе.

В зависимости от назначения кварцевый резонатор выполняется различными способами. При использовании в качестве резонансного колебательного контура в генераторе он должен быть рассчитан на определенную мощность рассеяния. При использовании в фильтрах и для контроля частоты радиопередающих устройств существенное значение имеет не мощность рассеяния, а минимальное затухание, малая связь с внешней цепью и т. п. Поэтому размеры кварцевых элементов, их форма, номер гармоники, а также конструкция кристаллодержателя в указанных случаях различны.

Для разных типов кварцевых резонаторов параметры эквивалентной электрической схемы изменяются по величине, хотя форма эквивалентной схемы остается неизменной. Наиболее просто эквивалентная схема выглядит в случае кварцевых элементов, на поверхность которых вакуумным распылением непосредственно нанесены пленки из металлов — электроды; несколько сложнее — в случае кварцевых элементов, помещаемых между электродами с зазорами, или же в случае кварцевого фильтра, имеющего по два входных и два выходных электрода.

Размеры кварцевого резонатора.

С точки зрения внешних электрических цепей, пользуясь динамическими аналогиями, кварцевый резонатор можно заменить эквивалентным электрическим колебательным контуром. При математических расчетах рассмотрение эквивалентного электрического контура (вместо находящегося в колебательном состоянии кварцевого резонатора) позволяет отвлечься от кварцевого резонатора как электромеханической колебательной системы и рассматривать его как элемент электрической цепи .

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора состоит из активного сопротивления R1, емкости С1, и индуктивности L1, включенных последовательно и зашунтированных параллельной емкостью С0. Параметры R1, С1, L1 являются основными и носят название динамических параметров пьезоэлектрического резонатора, параметр C0 — статическая емкость. Если кварцевый элемент возбуждается в кристаллодержателе с зазорами, то к его эквивалентной электрической схеме добавляется параметр С3 — емкость зазора кристаллодержателя.

Эквивалентная схема резонатора — это схема замещения электромеханической колебательной системы с одной степенью свободы эквивалентным электрическим колебательным контуром

Параметры кварцевых резонаторов

Номинальная частота – частота F_н, указанная на маркировке или в документации на кварцевый резонатор (измеряется в МГц или кГц). Базовая частота – реальная частота резонатора F_о, измеренная в заданных условиях эксплуатации. Как правило, определяются только климатические условия, а именно базовая температура окружающей среды Т_о, (равная 25± 2°С для резонаторов со срезом типа АТ). Рабочая частота – реальная частота резонатора F, измеренная в реальных условиях эксплуатации (климатических, механических и электрических). Обычно определен только допустимый диапазон изменения рабочей температуры.

Точность настройки частоты – максимально допустимое относительное отклонение базовой частоты резонатора от номинальной частоты. Измеряется в миллионных долях от номинальной частоты, обозначаемых как ppm (part per m illion) или 1•10 ^-6. В отдельных редких случаях значение этого параметра приводится в процентах. Как правило, значение точности настройки частоты кварцевого резонатора выбираются из стандартного ряда.

Параметры кварцевых резонаторов.

Температурная нестабильность частоты

Относительное отклонение рабочей частоты резонатора от базовой частоты. Может быть представлено в виде зависимости от рабочей температуры T, в соответствии с формулой для кварцевых пластин с типом среза АТ и формулой (4) для кварцевых пластин остальных типов. Долговременная нестабильность частоты (старение) – систематическое изменение базовой частоты с течением времени из-за внутренних изменений в кварцевом резонаторе. Параметр старения задается как относительное изменение базовой частоты за заданный промежуток времени. Это значение выражается в частях миллиона за год (например, 3 ppm / year ). Уход частоты под влиянием старения в максимальной степени сказывается в течение первых 30 – 60 дней эксплуатации, после чего влияние этого фактора уменьшается. Стандартный ряд относительных отклонений частоты для резонаторов общего назначения включает следующие классы точности: ±5, ±10, ±15, ±20, ±30, ±50, ±75 и ±100 ppm.

Материал в тему: устройство подстроечного резистора.

Режим работы резонатора (номер гармоники)

Режим работы резонатора – неизменяемый параметр, определяющий частоту колебания. Для кристаллов кварца может использоваться не только основная частота, но и ее нечетные гармоники – обертоны. Например, кристалл может работать на основной частоте 10 МГц, или в нечетных гармониках приблизительно 30 МГц (третий обертон), 50 МГц (пятый обертон) и 70 МГц (седьмой обертон).

Параметры температуры

Базовая температура – Температура окружающей среды То, для большинства резонаторов равная 25± 2°С, при которой выполняются измерения определенных параметров кварцевого резонатора (в частности, значения базовой частоты). Диапазон рабочих температур – Диапазон температур, для которого производитель гарантирует, что максимальное отклонение рабочей частоты от номинального значений не выходит за пределы заданного допуска. Диапазон температур, в котором резонатор сохраняет работоспособность, но отклонение частоты от номинала может выходить за пределы, гарантируемые производителем.

Диапазон температур хранения – Диапазон температур, в котором кварцевый резонатор может находиться в режиме хранения (то есть, в состоянии отсутствия колебаний). После окончания хранения резонатора и обеспечения температуры в пределах рабочего диапазона (в течение некоторого отрезка времени), резонатор может использоваться в режиме колебаний, причем при этом будут гарантироваться все указанные производителем параметры.

Проверка резонатора.

Электрические параметры

Эквивалентная схема кварцевого резонатора – представляет собой электрическое описание кварцевого резонатора, работающего на резонансной частоте. Эквивалентная схема кварцевого резонатора представлена на рисунке 1. С0 – шунтирующая емкость. R1, L1 и С1 – соответственно динамическое сопротивление, динамическая индуктивность и динамическая емкость. Динамические параметры представляют собой соответствующие эквиваленты резонатора как электромеханической системы и определяются, в основном, характеристиками среза кварцевого элемента.

Шунтирующая емкость C0 – Емкость между выводами кристалла. Измеряется в пикофарадах. Шунтирующая емкость складывается из паразитной емкости кварца, емкости области электродов кристалла и емкости, вносимой кристаллодержателем. Шунтирующая емкость имеет значение порядка единиц пФ. Динамическое сопротивление R1 – Параметр, характеризующий энергетические потери в колебательном контуре. Динамическое сопротивление R1 кварцевых резонаторов изменяется в интервале от нескольких Ом до сотен кОм в зависимости от частоты резонанса, номера гармоники и ряда конструктивных факторов.

Набор кварцевых резонаторов.

Емкость нагрузки СL

Измеренное или вычисленное значение емкости, включенной параллельно с кварцевым резонатором. Резонансная частота кварца, включенного в реальную электрическую цепь, будет изменяться в некоторых пределах при разных значениях емкости нагрузки. Для упрощения взаимодействия заказчиков и производителей резонаторов практикуется настройка резонаторов при определенном значении нагрузочной емкости. В этом случае измеренная частота должна соответствовать номинальной с учетом указанной точности настройки.

Как правило, для согласования емкости нагрузки используют конденсаторы Cg , подключаемые между выводами кварцевого резонатора и общим проводом (рисунок 2). Расчет номинала емкости конденсаторов Cg осуществляется по формуле (6), где CL – емкость нагрузки, указанная в технической документации, а CS – значение паразитной емкости (примерно 5 пФ).

Например, для емкости нагрузки равной 16 пФ имеем:

Cg = 2·(16-5) = 22 пФ

Обычно определяется как мощность, рассеиваемая кварцевым резонатором. Минимальное значение этого параметра определяется количеством энергии, необходимой для нормального запуска резонатора и обеспечения устойчивых колебаний. Однако повышенное значение этого параметра может вызвать ухудшение параметров старения и механические повреждения кристалла.

Современный и устаревший резонаторы.

Заключение

Более подробно о кварцевых резонаторах можно узнать из статьи Область применения кварцевых резонаторов. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.lit-phonon.ru

www.gaw.ru

www.lit-phonon.ru

РадиодеталиЧто такое геркон и как применяется в быту?

РадиодеталиЧто такое датчик Холла

Глобальная тенденция микроминиатюризации в электронике

Японская компания KDS Daishinku, одна из лидирующих в сегменте производителей кварцев, анонсировала проведение разработки и выпуск одного из самых маленьких кварцевых резонаторов DX1008JS и генераторов DS1008JS со встроенным датчиком температуры.

В настоящее время жизнедеятельность человека неразрывно связана с использованием в повседневной жизни различных мобильных телефонов, GPS / GNSS систем навигации, smart – часов, небольших портативных медицинских устройств и других гаджетов. Тенденции разработки данных устройств сводятся к увеличению уровня их производительности, расширению функциональных возможностей, улучшению эргономических параметров. Например, смартфоны будущего – это прежде всего, максимально увеличенный размер экрана и отказа от обрамления рамкой. Рассматриваются возможности создания инновационных гибких экранов и новых форм устройств, внедрения многомодульных камер, максимизации мощности процессоров и времени работы аккумуляторов, совершенствования сетей 5G.

Все это влияет на возникновение потребности создания прогрессивных миниатюрных кварцевых элементов, которые являются важными компонентами в любых гаджетах.

Итак, заявленный кварцевый резонатор DХ1008JS обладает следующими характеристиками:

Размеры изделия ультрокомпактны и составляют 1,0× 0,8 ×0,13мм;

Передовая технология: состоит только из кварцевой пластины и металлической пленки, без использования керамики;
Длительный срок службы по сравнению с обычными моделями;
Сборка в вакууме, исключающая попадание посторонних частиц.

Таблица 1 – Стандартная спецификация кварцевого резонатора DХ1008JS.

№	Параметр	Значение
1	Частотный диапазон	48 МГц	52 МГц	80 МГц	96 МГц	120 МГц
2	Гармоника колебаний	основная
3	Нагрузочная емкость	8 пФ, 10 пФ, 12 пФ
4	Уровень привода	10 мкВт (макс. 100 мкВт)
6	Последовательное сопротивление	100 Ом макс.	60 Ом макс.			40 Ом макс.
7	Температурная стабильность	± 30 × 10 ^-6 / -30 до + 85 ° C
8	Температура хранения	От -40 до + 85 ° C
9	Норма упаковки	3000 шт. / Катушка (Ø 180)

Схематическое изображение резонатора

DХ1008JS показано на рисунке 1.

Рис.1 — резонатор DХ1008JS

В комплекте к резонатору создан кварцевый генератор серии DS1008JS:

Размеры генератора составляют 1.0×0.8×0.22 мм;
Доступный диапазон частот 1 до 100 МГц;
Напряжение питания от + 1,8 В до + 3,3 В;
Высокая надежность и эксплуатационные характеристики (широкий температурный диапазон и малый уход частоты).

Более подробные характеристики кварцевого генератора DS1008JS можно посмотреть в таблице 2.

№	Параметр	Значение			Ед. изм.	Состояние
		min.	typ.	мах.
1	Частотный диапазон	1		100	МГц
2	Рабочее напряжение, Vcc	+1.6		+3.6	В
5	Допустимое отклонение частоты	— 100		+100	×10 ^-6	-40 до +125℃	-20 до +70℃･ Стандартный диапазон рабочих температур
		— 50		+50		-40 до +125℃
		— 30		+30		-40 до +125℃
		— 20		+20		-40 до +125℃
		— 20		+20		-20 до +70℃
6	Потребление тока			1,8	мА.	f0=24MHz, Vcc=+1.8В
	Потребляемый ток в режиме “Stand-by” (＃1 pin «L» Level)			0,01	мА
	Нагрузочная емкость			15	пФ
7	Симметричность выходного сигнала	45	50	55	%	От уровня 50% Vcc, f0 < 60 МГц
8	Время нарастания и спада фронтов			5	нс	По уровню от 10% до 90% Vcc
9	Норма упаковки	3000 шт. / Катушка (Ø 180 мм)

Схематическое изображение кварцевого генератора DS1008JS показано на рисунке 2.

Рис.2 – кварцевый генератор DS1008JS

Основные сферы применения кварцевого резонатора и генератора серий DX1008JS / DS1008JS – это устройства мобильной передачи данных, беспроводные модули, радары миллиметрового диапазона, смартфоны, устройства навигации и различные портативные гаджеты.

По интересующим Вас вопросам о продукции обращайтесь к менеджерам компании «Сканти», мы будем рады вам помочь!

Источник: https://www.kds.info/product/dx1008js/

Выбор правильного генератора для вашего микроконтроллера

Добавлено 22 сентября 2019 в 12:23

Сохранить или поделиться

Внутренний или внешний? Кварц или керамика? Кварцевый генератор или кремниевый генератор? Так много вариантов тактовой синхронизации… какой из них подойдет для вашего проекта?

Варианты генерирования тактового сигнала

Каждому микроконтроллеру нужен источник тактового сигнала. Процессор, шина памяти, периферия – тактовые сигналы находятся внутри микроконтроллера. Они определяют скорость, с которой процессор выполняет инструкции, скорость передачи сигналов по последовательной связи, количество времени, необходимое для выполнения аналого-цифрового преобразования, и многое другое.

Всё это тактирующее действие приводит к источнику тактового сигнала, а именно к генератору. Поэтому вам необходимо убедиться, что ваш генератор сможет поддерживать любую производительность, которую вы ожидаете от своего микроконтроллера. Однако, в то же время некоторые варианты генераторов более сложны или дороги, по сравнению с другими. Поэтому ваш выбор генератора должен также основываться на важности снижения затрат и сложности, когда это возможно.

Существует довольно много способов формирования тактового сигнала для микроконтроллера. Техническое описание для вашего конкретного устройства должно содержать достаточно много информации о том, какие типы генераторов вы можете использовать, и как реализовать их таким образом, чтобы это было совместимо с аппаратным обеспечением устройства. В данной статье основное внимание будет уделено преимуществам и недостаткам различных источников тактовых импульсов, чтобы вы могли осмысленнее сделать выбор среди вариантов генераторов, описанных в техническом описании на ваш микроконтроллер.

Итак, давайте начнем со списка, а затем обсудим каждый вариант:

внутренний:
- обычно (насколько я знаю, всегда) схема резистор-конденсатор;
- петля фазовой автоподстройки частоты с дальнейшим умножением частоты;
внешний:
- генератор на CMOS логике;
- кварцевый резонатор;
- керамический резонатор;
- резистор-конденсатор;
- только конденсатор.

Внутренние генераторы: принцип KIS

Я сторонник принципа KIS («Keep it simple», «не усложняй»), следовательно, я высоко ценю внутренние генераторы и призываю вас использовать внутренний генератор, когда это возможно. Внешние компоненты не требуются. Вы можете смело предположить, что частота соответствует выбранной, поскольку генератор был разработан теми же людьми, что всё остальное в микроконтроллере. Кроме того, основные технические характеристики – например, начальная точность, коэффициент заполнения (скважность), зависимость от температуры – (будем надеяться) указаны непосредственно в техническом описании.

Основным недостатком внутренних генераторов является малые точность и стабильность частоты. Частота зависит от значений пассивных компонентов, составляющих схему генератора, а допуски для значений этих пассивных компонентов не особенно жесткие. Кроме того, на емкость и сопротивление влияет температура окружающей среды, поэтому внутренние RC-генераторы подвержены температурному дрейфу, то есть изменения температуры приводят к изменениям частоты.

По моему опыту, многие приложения могут терпеть недостатки внутреннего генератора, особенно когда частота была откалибрована на заводе. В старых микроконтроллерах частота внутреннего генератора может иметь допуск до ±20%. Однако более новое устройство может дать вам точность ±1,5% (или лучше), что достаточно точно для связи по RS-232 и даже (в сочетании со схемой восстановления тактового сигнала) для USB.

Другим способом расширения возможностей внутреннего генератора является ручная «подстройка» – если у вашего микроконтроллера есть регистр подстройки/калибровки, вы можете регулировать частоту, изменяя значение в этом регистре. Это очень практичный метод для небольших проектов: просто измерьте тактовую частоту с помощью осциллографа или частотомера, а затем, соответствующим образом, подстройте генератор.

Разновидностью внутреннего генератора является использование петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, PLL). ФАПЧ позволяет низкокачественному высокочастотному внутреннему генератору извлекать выгоду из стабильности и точности внешнего генератора. В целом, ФАПЧ не помогает вам избежать внешних компонентов, поскольку для нее требуется эталонный тактовый сигнал, который обычно получают с помощью кварцевого резонатора. Тем не менее, если у вас где-то на плате есть высококачественный тактовый сигнал, но вы не хотите использовать его для микроконтроллера, потому что он слишком медленный, вы можете использовать PLL, чтобы умножить этот тактовый сигнал до приемлемой частоты.

Генератор на CMOS логике

Другой простой способ синхронизации – это так называемый «генератор CMOS логике», который подпадает под категорию «из-за отсутствия лучшего термина». «Генератор CMOS логике» – расплывчатый (хотя и удобный) способ обращения к любому тактовому сигналу, создаваемому каким-либо другим компонентом на плате. Генератор CMOS логике – это отличный вариант, если в вашем проекте уже есть генератор тактового сигнала с 1) подходящей частотой и 2) электрическими характеристиками, совместимыми с входной CMOS схемой тактового сигнала микроконтроллера. Однако часто это не так, поэтому давайте рассмотрим два варианта формирования тактовых импульсов на CMOS логике.

Во-первых, это «кварцевый генератор». Сейчас самое время указать, что кварцевый резонатор – это не генератор; скорее, это центральный компонент схемы кварцевого генератора, который может выглядеть примерно так:

Кварцевый генератор

Кварцевые генераторы – это удобные устройства, которые состоят из кварцевого резонатора и дополнительной схемы, необходимой для генерирования стандартного цифрового тактового сигнала. Таким образом, вы получаете стабильность и точность кварца, не беспокоясь о нагрузочной емкости и тщательности компоновки печатной платы, необходимой для обеспечения надежной работы микроконтроллера с отдельным кварцевым резонатором.

Второй вариант – «кремниевый генератор». Этот термин относится к микросхемам генераторов, которые не основаны на кварцевых или керамических резонаторах. Эти устройства универсальны и просты в использовании, и они могут быть довольно точными. Например, для серии LTC6930 от Linear Tech требуется только один блокировочный конденсатор, а подавляющее большинство моделей таких микросхем обеспечивают точность номинальной частоты в пределах 0,05%:

Генератор тактового сигнала на микросхеме LTC6930-8.00График распределения типового отклонения частоты

Кремниевые генераторы более надежны, чем кварцевые и керамические резонаторы, особенно в суровых условиях, подверженных ударам или вибрации. Но они дороже.

Кварцевые и керамические резонаторы

Если вам нужна действительно высокая точность и стабильность без дополнительных затрат на микросхему генератора на основе кварцевого резонатора, выбирайте вариант с одиночным кварцевым резонатором. На рынке широко доступны компоненты с допуском менее 20 миллионных долей (т.е. 0,002%). Схема генератора, показанная выше, частично интегрирована в микроконтроллеры, которые поддерживают конфигурацию с отдельным кварцем; вам нужно будет только обеспечить правильные нагрузочные конденсаторы. Общая емкость нагрузки (C_{нагр.общ.}) указывается в техническом описании на кварцевый резонатор, а нагрузочные конденсаторы выбираются следующим образом:

\[C_{нагр.общ.} = {C_{нагр.1} \cdot C_{нагр.2} \over C_{нагр.1} + C_{нагр.2}} + C_{пар.}\]

где C_пар. представляет любую паразитную емкость. Этот расчет на практике довольно прост: выберите разумное значение для C_пар. (скажем, 5 пФ), вычтите его из C_{нагр.общ.}, и затем умножьте результат на два. Таким образом, если техническое описание указывает нагрузочную емкость 18 пФ, мы имеем

\[C_{нагр.1} = C_{нагр.2} = (18пФ — 5пФ) \cdot 2 = 26 пФ\]

Керамические резонаторы менее точны, чем кварцевые; допуски обычно составляют от 1000 до 5000 милилонных долей. Они могут сэкономить вам несколько центов, если вам не нужна точность кварца. Но, на мой взгляд, главное преимущество заключается в том, что вы можете получить керамические резонаторы со встроенными нагрузочными конденсаторами.

Последний и наименее распространенный…

Существует не так много ситуаций, когда требуется генератор на внешних резисторе-конденсаторе или только на конденсаторе. Если по какой-то причине вам не подходят варианты внешних генераторов, рассмотренные выше, выбирайте микроконтроллер с внутренним генератором и используйте его. Однако, если вы полны решимости откопать один или два пассивных компонента из своей коробки запчастей, обратитесь к техническому описанию микроконтроллера за инструкциями по подключению и проектированию схемы генератора. Ниже показаны примеры подключения компонентов, взятые из технического описания на микроконтроллеры C8051F12x – 13x от Silicon Labs:

Варианты использования внешних резисторов и конденсаторов для создания схемы тактового генератора микроконтроллера

И вы можете обратиться к странице 190 этого же технического описания для получения информации о выборе значений компонентов.

Заключение

Надеюсь, что теперь вы знаете достаточно, чтобы в следующий раз, когда вам нужно будет выбрать генератор для микроконтроллера, принять обоснованное и уверенное решение. Вот мои рекомендации в двух словах:

используйте внутренний генератор, когда это возможно;
используйте кремниевый генератор, если его точность адекватна, а стоимость приемлема – в противном случае, используйте кварцевый резонатор.

Оригинал статьи:

Кварцевый резонатор с температурным датчиком в корпусе 1612 и высотой 0,45 мм для мобильных устройств от компании NDK

12 Июл 2017

Инженеры Nihon Dempa Kogyo Co., Ltd. (NDK) разработали кварцевый резонатор с температурным датчиком, соответствующий наименьшим размерам в мире* в классе подобных продуктов (модель: NX1612SB; размеры: 1,6 х 1,2 х 0,45 мм). Это самый тонкий продукт в мире* для размера 1612 с высотой всего 0,45мм (макс.) и поддерживающий производительность своего предшественника (2,0 х 1,6 х 0,65 мм) со стабильностью частоты +/-12 ppm (макс.) в температурном диапазоне от -30^оС до +85^оС.

Ранее, кварцевый резонатор и температурный сенсор размещались на плате раздельно, что занимало больше места и не позволяло определить температуру кварца настолько точно, насколько это возможно сейчас, поскольку они находились не в одном герметичном корпусе и на большем расстоянии друг от друга. Для улучшения производительности, диверсификации функций смартфонов, планшетов и других мобильных устройств, достижения высоко уплотнённой структуры для интеграции в чипсет, компоненты потребовали миниатюризации без потери производительности.

Чтобы удовлетворить данные потребности, NDK разработал NX1612SB. С термистором (температурным датчиком) и кварцевым резонатором в едином герметичном корпусе, данный продукт обеспечивает высокостабильную опорную частоту (диапазон от 26МГЦ до 52МГЦ) при совмещении с термокомпенсированным контуром на чипсете. Данная частота может быть использована в контурах задания опорной частоты радиосигнала, GPS/ГЛОНАСС и других системах.

* по данным исследования на март 2016 г.

Образцы доступны уже сейчас у производителя, старт массового производства – Август, 2016.

Модель	NX1612SB
Размеры	1.6 х 1.2 х Макс 0,45 мм
Диапазон частот	от 26 МГц до 52 МГц
Точность частоты	Макс. +/-10 х 10^-6
Стабильность	Макс. +/-12 х 10^-6
Рабочий температурный диапазон	-30^оС до +85^оС
Динамическое сопротивление	Макс. 80 Ом (от 26 МГц до 38,4 МГц) Макс. 50 Ом (от 38,4 МГц до 52 МГц)
Уровень	10uW
Нагрузочная ёмкость	7pF

По вопросам применения, заказов образцов и приобретения обращайтесь к нашим специалистам департамента Пассивные компоненты.

Выбор типа тактового генератора | others

Постоянный рост требований к электронике (она усложняется, миниатюризируется, у неё снижается энергопотребление) диктует необходимость использования маломощных, миниатюрных и надежных радиоэлектронных компонентов. Точная и стабильная тактовая частота требуется для большинства встраиваемых систем — от мобильных телефонов до бортовых систем автомобиля.

Для поддержания частоты на заданном значении имеется несколько различных методов, в них применяются разные компоненты, и каждый метод отличается по стабильности, размеру и стоимости. Ниже в сравнительной таблице приведены эти методы, которые определяют тип генератора тактовой частоты системы.

Тип	Символическое обозначение	Цена	Габариты	Подстройка	Допуск по частоте	Стабильность во времени
LC		Невысока	Большие	Требуется	±2%	Невысокая
RC		Маленькая	Очень маленькие	Требуется	±2%	Плохая
Кварцевый резонатор		Значительная	Средние	Не требуется	±0.001%	Отличная
Керамический резонатор		Невысока	Маленькие	Не требуется	±0.5%	Отличная

Самым популярным методом стабилизации частоты является применение кварцевого резонатора (часто называемый просто «кварц»).

Кварцы обладают очень высокой добротностью, идеально подходящей для стабилизации частоты генератора, и они имеют также высокую стабильность по температуре и времени эксплуатации. Обычный допуск на частоту кварца ±10 ppm [2] при окружающей температуре 25°C. При изменении температуры от -30 до 85°C сохраняется точность частоты ±10 ppm. В качестве примеров подобных кварцев можно привести серии кварцевых резонаторов XRCFD/XRCMD компании Murata.

Размер корпуса может быть ключевым фактором при выборе типа кварца. Поскольку резонансная частота кварцевой платины зависит, кроме типа среза, также и от размера пластины, то в результате имеются ограничения на минимальный размер компонента кварцевого резонатора. Производители выпускают кварцы различных типов, чтобы удовлетворить всем специфичным требованиям от приложений на рынке. Например, различают варианты стабилизации частоты кварцев VCXO, TCXO, OCXO и другие, при которых рабочая температура кварца поддерживается на постоянном уровне, выше температуры окружающего воздуха.

Voltage-Controlled Crystal Oscillator

В этом генераторе используется постоянное напряжение для управления частотой генератора относительно некоторого среднего значения. Может применяться для частотной модуляции сигнала, или для стабилизации частоты. Принцип работы основан на изменении емкости варикапа, который в незначительных пределах может повлиять на частоту.

Temperature warming Crystal Oscillator

В этом генераторе применена система температурной компенсации ухода генерируемой частоты. Частотозадающий элемент имеет управляемый подогрев, при этом требуется, чтобы температура подогреваемого элемента была выше, чем температура окружающей среды. Компенсация может разделяться на аналоговую и цифровую, в результате из-за обратной связи по температуре получается требуемая компенсационная характеристика.

Oven Controlled Crystal Oscillator

В этом генераторе поддерживается стабильная температура частотозадающего элемента, чем достигается стабильность генерируемой частоты.

Simple Crystal Oscillator

Это самый простой, самый распространенный тип кварцевого генератора — кварцевая пластина с определенными геометрическими размерами, снабженная электродами и помещенная в (обычно металлический) корпус.

Digital Temperature Compensation Crystal Oscillator

В этом генераторе применена система стабилизации частоты, построенная по цифровому принципу регулирования.

Crystal Filter

Фильтрующий по частоте элемент, построенный на основе кварца.

Другим методом стабилизации частоты является использования механического резонанса керамики. Керамические резонаторы также имеют высокую стабильность частоты, обычно ±0.1% от номинала. Керамические резонаторы обычно в 2 раза меньше по размеру, чем кварцевые на ту же частоту. Например, компонент Murata CSTCE для монтажа на поверхность (SMD) имеет размеры 3.2 x 1.3 x 0.9 мм, типичную стабильность частоты ±0.1% и температурную стабильность ±0.08% в диапазоне от 0 до 70°C.

Керамические резонаторы имеют разные характеристики режимов генерации в зависимости от рабочей частоты. Низкочастотные резонаторы – в диапазоне от 100 кГц до 1000 кГц – обычно используют режим расширения, в то время как частоты выше нескольких МГц для генерации используют режим сдвигового колебания толщины. Конструкция керамических резонаторов очень удобна для массового производства, поэтому керамические резонаторы стоят намного дешевле кварцевых.

Когда инженер выбирает тип организации тактового генератора, ему нужно учесть несколько технических критериев. Понятно, что главный критерий — рабочая частота. Тип микросхемы, которая генерирует тактовую частоту, и в некоторых случаях особенности приложения будут однозначно определять выбор резонатора. Инженерам следует избегать нестандартных техник, поскольку это может значительно повлиять на время выполнения заказа и обычно на стоимость.

Во многих случаях функции приложения (назначение разрабатываемого электронного прибора), где применяется тактируемое устройство, будут диктовать степень точности тактовой частоты. Например, набор стандартов передачи данных по сети IEEE802.1 требует высокой точности. Также для некоторых специальных разработок, наподобие роутеров Wi-Fi, беспроводных трансиверов и/или микроконтроллеров производители могут предусмотреть много определенных вариантов выбора резонатора на основе ранее сертифицированных проектов.

Другой критический фактор, влияющий на выбор резонатора — ограничения на доступную площадь печатной платы. На стабильность частоты и точность значительно влияют размер и форма резонатора. На это также влияет и на стоимость устройства. Таким образом, нужно выбрать качественный баланс между рабочими спецификациями и стоимостью списка материалов (BOM, Bill Of Materials).

Другие соображения для выбора резонатора могут включать класс устройства и энергопотребление. Класс устройства обычно касается диапазона рабочих температур резонатора. В основном резонаторы могут быть доступны в двух типах: один для общих потребительских приложений, другой для автомобильной электроники. Понятно, что рыночные стандарты и профили варианта использования определят вероятные рабочие температуры и окружение конечной разработки. Компоненты, предназначенные для использования в автомобильной технике имеют расширенный диапазон рабочих температур, и также подходят для жестких условий эксплуатации с точки зрения влажности воздуха, попадания влаги, вибрации. Обычный диапазон рабочих температур для автомобильной техники от –40 до 125°C.

Соображения снижения энергопотребления становятся все более важными, особенно для носимых приложений, устройств, встраиваемых в одежду, как например персональные мониторы состояния организма для фитнесса. Выбор устройства для стабилизации частоты может повлиять на энергопотребление. Частота тактируемого устройства обычно прямо пропорционально энергопотреблению. Обычно говорят, что снижение тактовой частоты также позволяет снизить энергопотребление.

Как только поставщики и даташиты были просмотрены для получения сведений по основным эксплуатационным характеристикам, инженер может сфокусироваться на разработке схемы генератора. Обычно узел генератора состоит из усилителя, чаще всего построенного на инверторах CMOS. В схему усилителя входят резистор обратной связи, демпфирующий резистор и два внешних нагрузочных конденсатора.

Ниже на рисунке показан пример такой схемы. Резистор обратной связи подключен к инвертеру CMOS параллельно. Часто как весь усилитель, включая инвертер и дополнительные резисторы, интегрированы в схему микроконтроллера, наружу из корпуса выведены только выводы для подключения кварцевого резонатора и внешних нагрузочных резисторов. Резистор обратной связи вводит инвертор CMOS в активный режим усиления — выходное напряжение пытается балансировать возле среднего значения, и возникают условия для возникновения генерации. При наличии частотозадающего элемента в виде керамического или кварцевого резонатора генерация возникает на определенной частоте. Когда резистор обратной связи не встроен в микроконтроллер (это бывает редко), то обычно используется внешний резистор номиналом около 1 МОм.

Демпфирующий резистор подключен к выходной цепи узла генератора. Он нужен, чтобы ослабить амплитуду колебаний для снижения нагрузки и уменьшения энергопотребления. При выборе этого резистора нужен компромисс, потому что слишком большая величина резистора может привести к слишком большому затуханию, так что генерация может прекратиться. Демпфирующий резистор обычно выбирают в диапазоне от 0 до 2 кОм, однако его выбор также зависит от электрических характеристик тактируемого микроконтроллера.

Внешние нагрузочные конденсаторы подключены на входе и выходе узла генератора, и их емкость должна быть тщательно подобрана. Эти конденсаторы составляют важную часть схемы, которая влияет на отрицательное сопротивление и частоту генерации. Эти конденсаторы бывают в диапазоне от 5 до 22 пФ, но их рекомендуемая величина зависит от характеристик микроконтроллера, свойств кварцевого резонатора и паразитной емкости монтажа.

Когда проектируется разводка печатной платы для узла генератора, особенное внимание должно быть уделено снижению емкости монтажа и снижению электромагнитных помех. Длина сигнальных проводников должна быть как можно меньше, особенно той цепи, которая подключена ко входу усилителя генератора — чтобы минимизировать паразитные емкость и индуктивность. Нежелательно использовать сквозные отверстия для монтажа деталей генератора, потому что это увеличивает размеры узла, и увеличивает уровень электромагнитных помех. Кроме того, сигнальные проводники генератора не нужно располагать на внутренних слоях многослойной платы, так как это увеличивает паразитную емкость, и затрудняет диагностику генератора. Слишком большая паразитная емкость может остановить колебания генератора. Если сигнальные проводники будут проходить близко ко входу какого-нибудь инвертера CMOS, то это может также генерировать помехи, потому что через паразитную емкость может проходить высокочастотный сигнал.

[Ссылки]

1. An engineer’s guide to selecting and using a resonator site:newelectronics.co.uk.
2. Что такое ppm для частоты кварца?

Кварцевый резонатор. Конструкция. Принцип работы и свойства…

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 резонансаиспользуются 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.

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 кристал 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 в кристаллодержателе

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.

Принцип действия кварцевого генератора

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.

Обозначение кварцевого резонатора.

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.

Условное обозначение кварцевого резонатора на схемах.

Как проверить кварцевый резонатор при диагностических процедурах?

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.

История изготовлений различных конструкций кварцевых резонаторов

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 . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Поль Ланжевен впервые использовал этот эффект в часовом резонаторе гидролокатора перед первой мировой войной. Первый кристальный резонатор, работающий насегнетовой 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. 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.

Применение. И спациальные типы кварцевых генераторов

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 дляповерхностного монтажа (SMD).

Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры, как допуск по частоте (отклонение частоты), стабильность частоты, нагрузочная емкость, старение.

Кварцевые резонаторы (Crystal Units) – отдельные кварцевые резонаторы и модули со встроенными датчиками температуры на номинальные частоты от 4 МГц до 150 МГц, а также низкочастотные резонаторы на частоту 32768 Гц.
Тактовые генераторы (Crystal Clock Oscillator) – кварцевые генераторы, состоящие из кристалла и простого генератора, выпускаются на частоты в диапазоне 1,5–125 МГц, а также на частоту 32768 Гц.
SPXO (Simple Packaged Crystal Oscillators) – кварцевые генераторы на высокие частоты в диапазоне 62,5 – 313 МГц с допустимыми отклонениями частоты ±(25–100)х10-6.

Термостатированные генераторы (OCXO) DOCXO

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.

TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator) – термокомпенсированные кварцевые генераторы.

Принципиальные схемы

Рис.1 Упрощенная схема прямой компенсации TCXO

Рис.2 Упрощенная схема косвенной компенсации TCXO

применение

TCXO для GPS
TCXO для сети

VCXO (Voltage-Controlled Crystal Oscillators) – кварцевые генераторы, управляемые напряжением, в приборы этого типа интегрированы варикапы, обеспечивающие перестройку частоты генераторов.

Принципиальные схемы

Рис.3 Характеристики управляющего напряжения VCXO (положительный наклон)

Рис.4 Характеристики управляющего напряжения VCXO (отрицательный наклон)

FCXO (Frequency Controlled Crystal Oscillator) – модули переноса частоты, или кварцевые генераторы, синхронизируемые внешними источниками.

Прецизионные термостатированные генераторы OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator), TwinOCXO (Twin-Oven Controlled Crystal Oscillator) и Twin-DCXO (Twin-Digital Controlled Crystal Oscillator).

Кварцевые фильтры (Crystal Filter) – в данную категорию входят приборы на номинальные частоты 10,7 МГц, 21,4 МГц, 21,7 МГц, 45 МГц, 70,05 МГц, 90 МГц с различными полосами пропускания.
ПАВ-фильтры (SAW Device) – широкая номенклатура фильтров на поверхностных акустических волнах под различные целевые назначения приборов: аппаратура для цифрового наземного телевидения, базовых станций WCDMA, беспроводных телефонов, беспроводных приборов для учета энергопотребления, систем дистанционного управления автомобильным оборудованием и других приложений.
Синтетические кварцы/кварцевые бланки/оптические компоненты (Synthetic Quartz Crystal/Crystal Blank/Optical Component) – кварцевые кристаллы, кварцевые пластины из монокристаллов (Crystal Blank) и оптические компоненты, такие как оптические фильтры нижних частот OLPF.
Синтезаторы частоты (Frequency Synthesizer) – компания выпускает встраиваемые синтезаторы частоты для оборудования систем цифрового наземного телевидения, микроволновой аппаратуры радиосвязи, измерительных приборов, базовых станций систем мобильной связи, систем ШПД и других ответственных приложений.
Зонды для ультразвуковых сканеров и преобразователи (Ultrasonic probe/Transducer) – компания выпускает ультразвуковые зонды различных форм (линейные, секторные и выпуклые зонды, матричные модули) для работы в диапазонах от 2,5 МГц до 12 МГц. Приборы могут использоваться для 2D- и 3D-визуализации в медицине и здравоохранении. Приборы производятся в соответствии с требованиями международного стандарта ISO13485 2008, определяющего систему менеджмента качества медицинских устройств. Компания может производить приборы по специальным требованиям заказчиков.
Биодатчики для QCM (Quartz Crystal Microbalance) систем – датчики микровесов (QCM Sensor) являются инструментом для измерения массы, принцип работы которого основан на зависимости частоты колебаний кварцевого резонатора (датчика QCM) от количества вещества, нанесенного на его поверхность. QCM-системы получили широкое распространение в биохимии, например, для распознавания антител и фрагментов ДНК.

Преимущества

Достижение намного больших значений добротности (104−106) эквивалентного колебательного контура, нежели любым другим способом.
Малые размеры устройства (вплоть до долей мм).
Большая температурная стабильность.
Большая долговечность.
Лучшая технологичность.
Построение качественных каскадных фильтров без необходимости их ручной настройки.

Недостатки

Чрезвычайно узкий диапазон подстройки частоты внешними элементами. Практически для многодиапазонных систем эта проблема решается построением синтезаторов частоты различной степени сложности.

Тесты осцилляции схем

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.

Рассмотрим эти параметры более подробно:

Отрицательное сопротивление (-R) всей схемы генератора, включая значения емкостей конденсаторов, параметры кварцевого резонатора и цепи, реализованной на кристалле микросхемы. Это отрицательное сопротивление должно быть в несколько раз больше эквивалентного последовательного сопротивления кварцевого резонатора (Rs или ESR). При нарушении данного соотношения генератор не будет работать в заданном режиме или может вообще не заработать. Отрицательное сопротивление схемы можно получить, включив резистор последовательно с кварцевым резонатором (Rd на рис. 10). Пороговое значение, при котором запуск генератора становится невозможным, приблизительно равно отрицательному сопротивлению схемы. Схема стенда, используемая NDK для этой цели, приведена на рис. 11 а), б), пробник в виде открытого про-водника небольшой длины используется для исключения влияния на генератор измерительной схемы. Типовая зависимость отрицательного сопротивления схемы от емкостей конденсаторов генератора при Rd=1 кОм, Rf=1 МОм приведена на рис. 12 (по материалам NDK).

Изменение частоты генерации (Frequency Deviation, FD). Схема стенда для измерения частоты кварцевых генераторов приведена на рис. 13, измерения также производятся без контакта с элементами схемы и при изменении напряжения питания в заданных заказчиком пределах. Величину отклонения частоты генерации от номинальной частоты кварцевого резонатора представляют в относительных единицах – + или – ∆f/fном.х10-6.
Мощность возбуждения (Drive Level DL). При мощности возбуждения (рассеяния), превышающей максимально допустимую, в выходном сигнале кварцевого генератора могут появляться побочные излучения, возможны перескоки частоты генерации, а также может ухудшаться стабильность частоты генерации. Чтобы определить мощность рассеяния, необходимо измерить величину тока в цепи кварцевого резонатора. Схема стенда, используемая NDK для измерения тока, приведена на рис. 14, по осциллографу определяют размах тока в цепи кварцевого резонатора, затем по формуле Irms=Ip-p/2√2 вычисляют действующее значение тока, мощность определяется формулой P=Irms2 Rload (мкВт), где Rload– сопротивление на переменном токе в цепи резонатора. Сопротивление Rload зависит от параметров резонатора, величин емкостей схемы и сопротивления Rd (см. рис. 10), типовая зависимость мощности рассеяния от емкостей схемы приведена на рис. 15.

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 заказчи

Как выбрать тип генератора.? Сравнение кварцевых с другими типами генераторов

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.

	ТСХО	MCXO	ОСХО	Рубидий	RbXO	цезий
	Кварцевые генераторы			Атомные генераторы
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 Умножитель электронов

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.

Rb-OSC (Рубидиевый генератор):

Чрезвычайно устойчивый осциллятор с использованием атомного резонанса рубидия,

контролируемый частотой микроволнового перехода атомов Rb87 в его основном энергетическом состоянии.

Основные вопросы, на которые нужно ответить при выборе генератора, включают в себя:

Какая точность или воспроизводимость частоты необходима для правильной работы системы?
Как долго должна поддерживаться эта точность, т. Е. Будет ли генератор калиброваться или периодически заменяться, или генератор должен поддерживать требуемую точность в течение всего срока службы системы?
Доступна ли достаточная мощность, или генератор должен работать от батарей?
Какое время прогрева допустимо?
Каковы экстремальные условия окружающей среды, в которых должен работать генератор?
Каково требование краткосрочной стабильности (фазовый шум)?
Какое ограничение по размеру?

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 [17]. 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 ,

Связанные с резонатором приборы

Кварцевый генератор
Кварцевый фильтр
Генератор Пирса
Генератор тактовых импульсов
Резонистор
Атомные часы

Статью про кварцевый резонатор я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развии теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое кварцевый резонатор и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся 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.

Микроконтроллер

— Емкость нагрузки кварцевого генератора, опять же

Существует много кажущейся противоречивой информации о том, как рассчитывается емкость нагрузки для параллельного резонансного кристалла. Столкнувшись с множеством проблем в последние годы с отсутствием колебаний и погрешностью частоты, я прошу сообщество помочь разобраться в сути проблемы.

Как именно следует рассчитать номиналы внешних нагрузочных конденсаторов?

В чем причина, если генератор полностью не запускается с кристаллами какого-либо производителя и помогает только полное удаление внешних нагрузочных конденсаторов? Кристаллы других производителей работают нормально, и они рекламируют, казалось бы, аналогичные параметры (емкость нагрузки, основная мода, параллельный резонанс).

Все ли встроенные генераторы XTAL, скажем, в микроконтроллеры, всегда ли генераторы Пирса? Имеет ли это отношение к проблеме?

Для справки, вот некоторая информация, которую я нашел в Интернете относительно расчета емкости нагрузки. Один поставщик ИС определяет это так:

Один производитель кристаллов определяет это так:

На другом веб-сайте есть это, чтобы показать ответ:

  Уравнение: C = 2 (CL) - (CP + CI)

C = значение кристаллического конденсатора
CL = емкость нагрузки
CP = паразитная емкость (провода, розетка, следы)
CI = входная емкость (сам микроконтроллер)

Многие думают, что емкость нагрузки — это значение, рекомендованное производителем кристалла для внешних конденсаторов.Мне это кажется совершенно неверным. (Но, как выясняется, все еще может работать нормально).

Одна веб-страница делает акцент на знании входных и выходных емкостей преобразователя частоты и дает следующий ответ:

Есть один верный ответ на вопрос? Мне все это кажется очень неприятным. Почему не запускается осциллятор? Почему после снятия внешних нагрузочных конденсаторов он запускается? Как рассчитать номинал внешних конденсаторов?

PS. Извините, я не могу точно сказать, с какими микросхемами я работаю.Но я видел, как это происходило с довольно многими в течение многих лет.

Мифы о емкости нагрузки — как правильно выбрать конденсаторы • Пресс-релиз IQD

Опубликовано: 3 августа 2020 г.

Емкость нагрузки в колебательном контуре — одно из наиболее важных значений для гарантии точности кварцевый. Тем не менее, в то же время это одна из самых частых причин ошибок при проектировании колебательного контура.Существует ряд заблуждений относительно емкости нагрузки, которые мы хотим прояснить сегодня. Кроме того, мы покажем вам, как правильно выбрать конденсаторы для вашей схемы.

Большинство кристаллов кварца используется в колебательном контуре Пирса (рис. 1). Следовательно, необходимы два внешних конденсатора. Теперь может возникнуть вопрос, как выбрать правильные значения для этих двух конденсаторов?

Рисунок 1: Цепь генератора Пирса

Первое распространенное заблуждение состоит в том, что емкость нагрузки в таблице данных кристалла напрямую определяет требуемые значения для двух конденсаторов.Это означает, что если емкость нагрузки кристалла составляет 20 пФ, оба конденсатора должны быть 20 пФ. Однако это неверно и может вызвать сдвиг частоты.

Другое заблуждение состоит в том, что емкость нагрузки в таблице данных кристалла должна быть равна сумме обоих конденсаторов. Если мы используем тот же пример с кристаллом 20 пФ, это означает, что оба конденсатора должны быть по 10 пФ каждый. Однако это тоже неверно. Возможно, вам повезло с вашей схемой, и до сих пор все могло работать нормально.В большинстве случаев кристалл будет работать в схеме даже с неправильной емкостью нагрузки, однако частота будет сдвигаться, и это может вызвать другие проблемы. Поскольку оба вышеупомянутых предположения относительно емкости нагрузки неверны, мы покажем вам правильный путь:

Для полной емкости нагрузки в цепи необходимо учитывать все емкости. Следовательно, необходимо учитывать не только два конденсатора, но также входную и выходную емкости микроконтроллера и все паразитные емкости.Все это вместе составляет емкость нагрузки. Самая большая проблема сейчас в том, что невозможно узнать или определить паразитную емкость без реальной схемы. Следовательно, во время проектирования печатной платы вам нужно просто угадать паразитную емкость, а затем перепроверить с последней схемой, если частота находится в пределах допуска. Работая в этой отрасли в течение нескольких десятилетий, мы убедились, что типичная паразитная емкость в колебательном контуре Пирса составляет от 3 до 7 пФ. Имея это в виду, вы можете легко определить значения для двух внешних конденсаторов C _a и C _b по следующей формуле:

Формула 1: емкость нагрузки

Другая рекомендация — выбирать C _a и C _b, чтобы они имели аналогичные значения или, по крайней мере, не далеко друг от друга.Это предотвратит неожиданные сдвиги частоты и другие помехи. Если C _a и C _b не должны быть равны, то C _a должно быть меньше, чем C _b.

Однако, поскольку вы можете оценить только паразитную емкость, действительно важно измерить частоту вашей реальной цепи, чтобы перепроверить, достигает ли частота требуемой точности для вашего приложения. Кроме того, наша группа поддержки приложений может помочь вам с любыми дополнительными вопросами, касающимися емкости нагрузки или конструкции вашей схемы.

В нашем следующем блоге мы более подробно покажем вам, насколько большим может быть влияние на частоту, если у вас неправильная емкость нагрузки в вашей цепи.

Оценка влияния емкости нагрузки на частоту кристалла кварца

В первой части этой серии мы рассмотрели некоторые важные показатели, которые используются для характеристики отклонения частоты кристаллов кварца.

В этой статье мы обсудим еще один важный фактор, влияющий на частоту колебаний: емкость нагрузки кристалла.В статье также рассматриваются некоторые важные характеристики, такие как кривая натяжения и чувствительность подстройки, которые используются для характеристики влияния емкости нагрузки на частоту колебаний.

Нагрузочная емкость кристалла: ключевой фактор

Многие кварцевые генераторы, такие как топологии Пирса, Колпитса и Клаппа, управляют кристаллом в его индуктивной области (между f _s и f _a на кривой реактивного сопротивления, показанной на рис. 1 ).

Рис. 1. Изображение любезно предоставлено Cypress.

Для этих генераторов общая емкость, «видимая» с клемм кристалла, имеет первостепенное значение. Эта емкость, создаваемая схемой генератора, обычно называется нагрузочной емкостью кристалла. Как эта емкость нагрузки влияет на нашу конструкцию? Поскольку кристалл работает между f _s и f _a, он эффективно действует как индуктор.Эта эффективная индуктивность вместе с емкостью нагрузки образует резервуар LC, который определяет частоту колебаний. Если емкость нагрузки составляет C _L, а кристалл колеблется при f _L, реактивное сопротивление емкости нагрузки составляет:

\ [X_ {C_L} = — \ frac {1} {2 \ pi f_LC_L} \]

Кристалл будет колебаться с частотой, при которой его реактивное сопротивление равно \ [\ frac {1} {2 \ pi f_LC_L} \].

Следовательно, заданная емкость нагрузки ограничивает колебания кристалла в определенной точке между f _s и f _a.Если мы изменим емкость нагрузки, получится другая частота колебаний. Вот почему производитель кристалла указывает частоту кристалла при определенной емкости нагрузки.

Согласование емкости нагрузки

Обычная схема подключения кристалла к микроконтроллеру показана на рисунке 2 .

Рисунок 2.

Здесь C _Pin + C _Stray моделирует емкость выводов MCU, а также паразитную емкость дорожек печатной платы, подключенных к клеммам кристалла.C _Pin + C _Stray обычно находится в диапазоне от 2 пФ до 5 пФ. Более короткие дорожки на печатной плате могут уменьшить паразитную емкость.

У нас также есть C _L1 и C _L2, которые добавлены, чтобы согласовать нагрузочную емкость платы с указанной производителем кристалла. Эти два конденсатора соединены последовательно через землю. Следовательно, эффективная емкость нагрузки схемы составляет:

\ [C_ {Load} = \ frac {C_ {L1} \ times C_ {L2}} {C_ {L1} + C_ {L2}} + C_ {Pin} + C_ {Stray} \]

Эта общая емкость нагрузки должна соответствовать значению, указанному производителем кристалла.Если наша схема представляет кристаллу другую емкость нагрузки, он не будет колебаться с указанной номинальной частотой. Он будет «вытянут» на немного другую частоту.

Остается вопрос, как далеко будет изменяться частота данного кристалла при изменении емкости нагрузки?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам сначала нужно вывести уравнение, которое дает частоту колебаний для произвольной емкости нагрузки.

Частота колебаний при произвольной нагрузке

Предположим, что кристалл подключен к произвольной нагрузочной емкости C _L, как показано на рисунке 3 .

С какой частотой будет колебаться кристалл?

Рисунок 3.

Игнорируя сопротивление кристалла R _m, резонанс возникает на частоте, на которой полная проводимость указанной выше цепи становится равной нулю:

\ [jC_L \ omega_L + jC_0 \ omega_L + \ frac {1} {jL_m \ omega_L + \ frac {1} {jC_m \ omega_L}} = 0 \]

, где ω _L = 2πf _L и f _L обозначают частоту колебаний при C _L.Используя некоторую алгебру, мы приходим к следующему уравнению:

\ [f_L = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_mC_m}} \ times \ sqrt {1 + \ frac {C_m} {C_L + C_0}} \]

Уравнение 1.

Можно показать, что последовательная резонансная частота (f _s) кристалла определяется выражением:

\ [f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_mC_m}} \]

Следовательно, уравнение 1 упрощается до:

\ [f_L = f_s \ sqrt {1 + \ frac {C_m} {C_L + C_0}} \]

Поскольку C _m ≪ C ₀ + C _L, мы можем использовать теорему Тейлора, чтобы аппроксимировать это уравнение как:

\ [f_L = f_s \ left (1 + \ frac {C_m} {2 (C_L + C_0)} \ right) \]

Уравнение 2.

Это важное уравнение показывает, как частота колебаний кристалла изменяется в зависимости от емкости нагрузки. 6 (в ~ ppm) \]

Уравнение 3.

Графическое представление этого уравнения иногда называют кривой растяжения кристалла. Например, при C _m = 20 фФ, C ₀ = 4,5 пФ, мы получаем следующую кривую растяжения.

Рис. 4. Изображение любезно предоставлено Ecsxtal.

Эта кривая показывает, как частота кристалла изменяется в зависимости от емкости нагрузки. Например, с вышеуказанным кристаллом частота колебаний примерно на +200 ppm выше, чем f _s, когда используется емкость нагрузки 45 пФ.

Есть приложения, в которых нам нужно изменить частоту кристалла, изменив его нагрузочную емкость. В этих приложениях нам нужны кристаллы, которые могут предложить более высокую «тяговую способность». Кривая растяжения позволяет оценить способность кристалла к вытягиванию. В примере, изображенном на рисунке 4, мы наблюдаем, что частота кристалла изменяется от +100 ppm до +700 ppm по сравнению с f _s, когда емкость нагрузки изменяется от 100 пФ до 10 пФ.

Точная настройка частоты колебаний

Мы увидели, что контактная и паразитная емкости конструкции могут влиять на емкость нагрузки и влиять на частоту колебаний.Кроме того, конденсаторы, подключенные к клеммам кристалла (C _L1 и C _L2 на рисунке 2) имеют ограниченные допуски.

Эти вариации необходимо учитывать при настройке частоты колебаний. В этих случаях мы можем использовать дополнительные последовательные и параллельные конденсаторы, чтобы изменить емкость нагрузки и вернуть кристалл к желаемой рабочей частоте.

Пример схемы показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Изображение любезно предоставлено Maxim Integrated.

Здесь C _evkit обозначает емкость вывода IC, а также паразитную емкость от дорожек печатной платы. C ₁₄ и C ₁₅ — последовательно тянущие конденсаторы, а C ₁₆ — параллельный тянущий конденсатор. Последовательный конденсатор увеличит частоту колебаний, а параллельный конденсатор замедлит ее.

В некоторых ИС используется набор внутренних конденсаторов, позволяющих пользователю точно настраивать емкость нагрузки и соответствовать требованиям допустимого диапазона частоты приложения.На рисунке 6 показан этот метод, использованный в MC13224, платформе ZigBee от NXP.

Рис. 6. Изображение любезно предоставлено NXP.

Согласно техническому описанию устройства, частоту колебаний можно отрегулировать в пределах ± 30 ppm от заданной частоты в общих условиях. Нагрузочные конденсаторы на кристалле также могут сэкономить площадь платы. Обратите внимание, что топологии, показанные на рисунках 5 и 6, предполагают, что кристалл может обеспечить требуемую тяговую способность.

Чувствительность дифферента

Как видно из рисунка 4, наклон кривой тяги уменьшается по мере увеличения емкости нагрузки. 6 (ppm / pF) \]

Например, с C _м = 20 фФ, C ₀ = 4.5 пФ, получаем кривую чувствительности подстройки, показанную на рисунке 7.

Рис. 7.

Приведенный выше график показывает, что при более низких емкостях нагрузки схема демонстрирует более высокую чувствительность к значению емкости нагрузки. В определенных конструкциях, например, в носимых устройствах, мы можем использовать кристалл с более низкой емкостью нагрузки, чтобы снизить энергопотребление и ускорить запуск генератора; однако приведенная выше кривая показывает, что это может увеличить чувствительность генератора к паразитным емкостям цепи.

Можно использовать спецификацию чувствительности подстройки для оценки изменения частоты, вызванного изменением емкости нагрузки. Однако следует отметить, что данное значение чувствительности подстройки действительно только в пределах нескольких пикофарад от заявленной емкости нагрузки.

Например, приведенный выше график показывает, что чувствительность подстройки составляет -5 ppm / pF при C _L = 40 pF. Эта чувствительность подстройки действительна только для C _L = 40 пФ. Если емкость нагрузки изменяется незначительно, мы можем умножить изменение емкости нагрузки на значение чувствительности подстройки, чтобы получить изменение частоты.Например, если емкость нагрузки увеличивается с 40 пФ до 41 пФ, мы ожидаем, что частота изменится примерно на -5 ppm. Однако, если емкость нагрузки изменяется на несколько пикофарад, мы не можем использовать значение чувствительности подстройки, чтобы найти изменение частоты.

Чтобы увидеть полный список моих статей, посетите эту страницу.

% PDF-1.2 % 541 0 объект > эндобдж xref 541 84 0000000016 00000 н. 0000002049 00000 н. 0000002228 00000 н. 0000002368 00000 н. 0000002399 00000 н. 0000002456 00000 н. 0000003028 00000 н. 0000003262 00000 н. 0000003329 00000 н. 0000003427 00000 н. 0000003521 00000 н. 0000003625 00000 н. 0000003691 00000 н. 0000003803 00000 н. 0000003869 00000 н. 0000003985 00000 н. 0000004096 00000 н. 0000004204 00000 н. 0000004320 00000 н. 0000004441 00000 н. 0000004580 00000 н. 0000004741 00000 н. 0000004901 00000 п. 0000005039 00000 н. 0000005213 00000 н. 0000005333 00000 п. 0000005482 00000 н. 0000005621 00000 п. 0000005778 00000 н. 0000005930 00000 н. 0000006073 00000 п. 0000006211 00000 н. 0000006327 00000 н. 0000006457 00000 н. 0000006585 00000 н. 0000006743 00000 н. 0000006863 00000 н. 0000007009 00000 н. 0000007146 00000 н. 0000007316 00000 н. 0000007464 00000 н. 0000007582 00000 н. 0000007700 00000 н. 0000007795 00000 н. 0000007891 00000 п. 0000007984 00000 п. 0000008077 00000 н. 0000008170 00000 н. 0000008264 00000 н. 0000008358 00000 н. 0000008452 00000 н. 0000008546 00000 н. 0000008640 00000 н. 0000008734 00000 н. 0000008828 00000 н. 0000008922 00000 н. 0000009017 00000 н. 0000009196 00000 п. 0000009281 00000 п. 0000009369 00000 п. 0000009392 00000 п. 0000010577 00000 п. 0000010599 00000 п. 0000010692 00000 п. 0000011694 00000 п. 0000011717 00000 п. 0000011824 00000 п. 0000013221 00000 п. 0000014554 00000 п. 0000014577 00000 п. 0000015901 00000 п. 0000015924 00000 п. 0000017116 00000 п. 0000017139 00000 п. 0000017229 00000 п. 0000017318 00000 п. 0000017409 00000 п. 0000018708 00000 п. 0000018731 00000 п. 0000020108 00000 п. 0000020131 00000 п. 0000020210 00000 п. 0000002497 00000 н. 0000003006 00000 п. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 542 0 объект > эндобдж 543 0 объект a_

Выбор подходящего кристалла и колпачков для вашего дизайна «Adafruit Industries — Создатели, хакеры, художники, дизайнеры и инженеры!

Научиться разрабатывать собственные печатные платы и уметь составлять схемы для решения конкретной проблемы — это ценный и полезный навык.Существует ряд ресурсов, которые помогут избежать типичных ошибок, но не всегда очевидно, откуда берутся значения некоторых общих компонентов, особенно таких общих, как резисторы и конденсаторы. Выяснение этого — часть процесса обучения, но не всегда легко узнать, где искать, поскольку сначала нужно точно знать, какие термины нужно искать.

Один хороший пример, на который я не видел особого внимания, — это решение, какой кристалл использовать для вашей доски и какие крышки к нему подходят.Большинство людей просто копируют и вставляют то, что они нашли на какой-нибудь другой схеме («12 МГц + 22 пФ?… Звучит хорошо!»). К сожалению, если вы хотите получить точные и стабильные результаты от кристалла, вам необходимо сопоставить конденсаторы с конкретным кристаллом, который вы выбрали, и это варьируется от модели к модели даже от одного производителя. К счастью, рассчитать конденсаторы, подходящие для вашего кристалла, несложно.

Кристалл 12 МГц, который я использую довольно часто, — это NX3225SA-12.000000MHZ от NDK. Он хорошего размера, стабильный (+/- 15 частей на миллион), и его легко найти.Я использую более дорогую модель +/- 15 ppm для лучшего входа в PLL, но если вы не используете правильные конденсаторы вместе с кристаллом, ваш сигнал никогда не будет даже отдаленно близким к +/- 15 ppm, и вы также можете купите гораздо более дешевый кристалл.

Итак, как узнать, какие конденсаторы использовать? Легкий. В каждом техническом описании кристалла указано что-то, называемое нагрузочной емкостью (CL). В случае кристалла выше это 8 пФ. C1 и C2 должны соответствовать этой нагрузочной емкости, при этом следующая формула является ключевой:

CL = (C1 * C2) / (C1 + C2) + Cstray

C1 и C2 — два конденсатора, которые вы видите прикрепленными. к кристаллу, но вам может быть интересно, что такое Cstray .К сожалению, каждая дорожка, каждый вывод на вашем компоненте, практически все на вашей печатной плате имеет некоторую паразитную емкость. Сумма этих значений представлена Cstray. Обычно вы можете предположить это в районе 2-5 пФ, если будете следовать хорошей практике компоновки и сделать трассу от кристалла до контактов на MCU как можно короче, без переходных отверстий и т. Д.

Мы знаем CL, так как это указано в таблице данных кристалла (8 пФ), и мы знаем Cstray (скажем, ~ 5 пФ), поэтому все, что нам нужно сделать, это проверить наши значения для C1 и C2, чтобы убедиться, что оно соответствует CL с учетом Cstray.Обычно используется эмпирическое правило — начать с пары конденсаторов, в два раза превышающей CL кристалла, что приведет вас к CL. В этом случае для конденсаторов это будет 2 * 8 пФ = 16 пФ. К сожалению, это игнорирует паразитную емкость (Cstray) и не дает наилучших результатов. Даже если вы оцениваете Cstray, вы получите лучшие результаты с учетом этого, но это означает, что просто использование конденсатора 2 * CL не будет работать:

CL = 8 пФ
C1, C2 = 16 пФ
Cstray = 5 пФ

(16 пФ * 16 пФ) / (16 пФ + 16 пФ) + 5 пФ = 13 пФ

13 пФ слишком много для получения наилучших результатов от вашего кристалла.Если вместо 16 пФ мы возьмем меньшее значение 6 пФ, это даст гораздо лучшие результаты:

(6 пФ * 6 пФ) / (6 пФ + 6 пФ) + 5 пФ = 8 пФ

Если вы считаете паразитную емкость немного ниже, скажем 3 пФ, вы можете попробовать конденсатор 10 пФ:

(10 пФ * 10 пФ) / (10 пФ + 10 пФ) + 3 пФ = 8 пФ

Существует очевидный компромисс между выбором стандартной емкости конденсатора и наличием хорошее представление о том, что такое ваш Cstray, но приведенная выше формула должна, по крайней мере, объяснить, КАК определить, какое значение должны иметь эти конденсаторы относительно вашего кристалла.Даже использование примерного Cstray плюс хороший макет должен дать вам гораздо более точные результаты, чем просто копирование и вставка значения, которое вы видели на другой схеме, если только вы не используете ту же самую модель кристалла (что маловероятно, поскольку они редко даже указаны в схеме. ).

Лучшее практическое правило: C1, C2 = 2 * CL — 2 * Cstray

Дополнительная литература

AN2867 — Руководство по проектированию генераторов (микроконтроллеры ST)

Прекратите макетирование и пайку — немедленно приступайте к изготовлению! Площадка Circuit Playground от Adafruit забита светодиодами, датчиками, кнопками, зажимами из кожи аллигатора и многим другим.Создавайте проекты с помощью Circuit Playground за несколько минут с помощью сайта программирования MakeCode с перетаскиванием, изучайте информатику с помощью класса CS Discoveries на code.org, переходите в CircuitPython, чтобы изучать Python и оборудование вместе, TinyGO или даже использовать Arduino IDE. Circuit Playground Express — это новейшая и лучшая плата Circuit Playground с поддержкой CircuitPython, MakeCode и Arduino. Он имеет мощный процессор, 10 NeoPixels, мини-динамик, инфракрасный прием и передачу, две кнопки, переключатель, 14 зажимов из кожи аллигатора и множество датчиков: емкостное прикосновение, ИК-приближение, температуру, свет, движение и звук.Вас ждет целый мир электроники и программирования, и он умещается на ладони.

Присоединяйтесь к 30 000+ создателям на каналах Discord Adafruit и станьте частью сообщества! http://adafru.it/discord

Хотите поделиться замечательным проектом? Выставка Electronics Show and Tell проходит каждую среду в 19:00 по восточному времени! Чтобы присоединиться, перейдите на YouTube и посмотрите чат в прямом эфире шоу — мы разместим ссылку там.

Присоединяйтесь к нам каждую среду вечером в 20:00 по восточноевропейскому времени на «Спроси инженера»!

Подпишитесь на Adafruit в Instagram, чтобы узнавать о совершенно секретных новых продуктах, о кулуарах и многом другом https: // www.instagram.com/adafruit/

CircuitPython — Самый простой способ программирования микроконтроллеров — CircuitPython.org

Получайте единственную ежедневную рассылку без спама о носимых устройствах, ведении делопроизводства, электронных советах и многом другом! Подпишитесь на AdafruitDaily.com!

Извините, форма комментариев в настоящее время закрыта.

Измерение и подстройка частоты кварцевого резонатора »Электроника

Можно подрезать или уменьшить частоту кварцевого резонатора, добавив дополнительную емкость и индуктивность, а также коэффициент затяжки для кристаллов.

Кристаллы кварца, Учебное пособие Xtals Включает:
Кристаллы кварца: xtals Что такое кварц Как работает кристалл Кристаллический обертон Вытягивание частоты кристалла кварца Огранки кристаллов кварца Кварцевое старение Изготовление кристаллического резонатора Как указать кристалл кварца VCXO TCXO OCXO Кристаллический фильтр Монолитный кристаллический фильтр Керамический резонатор и фильтр Характеристики керамического фильтра

В некоторых случаях необходимо иметь возможность обрезать или «подтягивать» резонансную частоту кристаллического резонатора, чтобы приспособиться к небольшим изменениям, которые могут потребоваться в резонансной частоте.

Во многих случаях это может быть необходимо, и тем самым он сочетает в себе феноменальные характеристики кварцевого резонатора с точки зрения стабильности и добротности с возможностью небольшого изменения частоты генератора. Естественно, возможность подстройки частоты немного снижает производительность кристалла, но для большинства целей этого более чем достаточно.

Хотя VXO, кварцевые генераторы с регулируемой частотой вращения использовались в прошлом, где частота кварцевого генератора изменялась вручную, сегодня более распространено использование кварцевых генераторов с регулируемым напряжением VCXO, которые используются в кварцевых генераторах с температурной компенсацией, узкополосных схемах фазовой автоподстройки частоты и ряд других приложений.

Подстройка частоты используется по-разному. Их можно использовать в кварцевых генераторах с температурной компенсацией, TCXO, где датчик температуры используется для питания цепи, которая компенсирует дрейф в зависимости от температуры. Его можно использовать для периодической ручной калибровки генератора в соответствии со стандартом высокой точности или для электронной подстройки частоты генератора в соответствии со стандартом вне эфира, таким как GPS.

Основы вытягивания резонансной частоты кристаллического резонатора

Кристаллический резонатор — это настроенная схема, характеристики которой можно моделировать с помощью более обычных электронных компонентов.

Эта эквивалентная схема дает представление о ее работе, поскольку позволяет увидеть, как различные электронные компоненты в эквивалентной схеме взаимодействуют друг с другом.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора

В этой эквивалентной схеме можно приравнять различные электронные компоненты к элементам функции кварцевого резонатора.

L: Индуктивность возникает из-за массы материала.
C1: Эта емкость возникает из-за податливости кристалла.
R: Этот элемент возникает из-за потерь в системе. Самый большой из них возникает из-за потерь на трение при механической вибрации кристалла.
Co: Эта емкость в теоретической эквивалентной схеме кристалла кварца возникает из емкости между электродами кристаллического элемента. Это часто называют шунтирующей емкостью.

В дополнение к электронным компонентам, показанным в эквивалентной схеме, в конструкции электронной схемы должна быть предусмотрена внешняя емкость, известная как емкость нагрузки, чтобы кристалл колебался на своей резонансной частоте.

Емкость нагрузки указана в техническом паспорте кристалла и является одним из параметров, который необходимо указать при заказе. Обычно используются значения 20 пФ и 30 пФ.

Емкость нагрузки оказывает заметное влияние на резонансную частоту кристалла, когда он работает в параллельном режиме. Это действительно имеет эффект, когда кристалл работает в последовательном режиме, но влияние нагрузочного конденсатора намного меньше.

Уравнение вытягивания кристалла можно выразить следующим образом:

Где:
Δf = разница между частотой тяги или нагрузки и последовательной резонансной частотой fs
C _L = емкость нагрузки

Также возможно вычислить среднюю тяговую способность кристалла с точки зрения сдвига частоты на изменение емкости нагрузки на пикофарад.

Видно, что для этого необходимо знать шунтирующую емкость, подвижную емкость и емкость нагрузки. В тех случаях, когда эти цифры доступны, это может быть очень полезно.>

Пределы Δf фактически зависят от добротности кристалла, которая связана со значениями электронных компонентов в эквивалентной схеме, а также от емкости нагрузки.

Цепи натяжения кварцевых резонаторов с частотой

Существует множество различных схем, которые можно использовать для изменения частоты, на которой колеблется кварцевый кристалл.

По сути, изменение частоты кварцевого генератора требует изменения емкости нагрузки. Это изменит частоту колебаний, позволяя подрезать ее до необходимого значения в доступном диапазоне.

Наиболее часто используемой схемой является генератор Колпитца. Использование простого переменного конденсатора на кристалле позволит выполнить соответствующую настройку. Кроме того, уменьшая номиналы конденсаторов C1 и C2 в конструкции электронной схемы, одновременно поддерживая работу схемы, можно уменьшить нагрузочную емкость, возникающую из-за этого элемента схемы, тем самым допуская больше регулировки.

Типовая схема VXO, кварцевого генератора с переменной частотой

Этот тип схемы может использоваться там, где требуется ручная подстройка частоты кварцевого генератора. Он также может использоваться в некоторых радиолюбительских передатчиках или радиолюбителях с малой мощностью, управляемыми кристаллами. Использование кварцевого генератора значительно упрощает конструкцию электроники и количество используемых электронных компонентов, что делает передатчик пригодным для домашнего строительства.

В большинстве случаев удобнее управлять частотой кварцевого генератора с помощью управляющего напряжения.Это означает, что он может быть включен в различные конструкции электронных схем, включая: узкополосный контур фазовой автоподстройки частоты; кварцевый генератор VCXO, управляемый напряжением; кварцевый генератор с температурной компенсацией TCXO; и многие другие схемы.

Для регулирования напряжения используются варакторные диоды. Использование диодов, соединенных спиной к спине, как показано на рисунке, является нормальным явлением.

Можно использовать один диод, но тогда вместо диода D1 потребуется последовательный конденсатор, чтобы изолировать друг от друга напряжение настройки и напряжение смещения транзистора.Двойные диоды дают общее улучшение характеристик по сравнению с одиночным диодом.

Резистор на кристалле требуется для обеспечения возврата постоянного тока для напряжения смещения диода D1. Его значение может быть высоким, потому что ток почти не протекает ввиду того, что варакторные диоды имеют обратное смещение.

Типовая схема VCXO

В некоторых случаях может потребоваться относительно большой сдвиг частоты для кварцевых генераторов. Одно приложение находится в любительском радио, передатчиках любительского радио с кодом Морзе с низким энергопотреблением.Здесь использование кварцевого генератора дает хороший уровень стабильности, даже когда видны большие сдвиги, а высокая выходная мощность по сравнению с LC-генератором переменной частоты очень полезна. Они намного проще других решений и используют меньше электронных компонентов. Эти генераторы обычно не используются для высокопроизводительных приложений, потому что стабильность, фазовый шум и точность явно нарушены, но все же более чем достаточно для любительских радиоприложений.

Схема для VXO, обеспечивающая высокий уровень сдвига частоты

Следует проявлять осторожность при проектировании электронной схемы такой схемы.Если сдвиг частоты становится слишком большим, то выходная мощность может упасть, или генератор вообще перестанет работать, или частота колебаний может регулироваться только комбинацией LC. Однако при тщательном проектировании и оптимизации электроники можно получить больший сдвиг частоты, чем при использовании простого переменного конденсатора.

Изменение резонансной частоты кристалла

Много лет назад, когда кристаллы кварца не содержались в герметично закрытом блоке, их часто можно было разобрать, чтобы получить настоящий резонансный кварцевый элемент.

Как только кварцевый элемент был получен, его можно было изменить так, чтобы его резонансная частота была изменена.

Одна из «хитростей» заключалась в том, чтобы нанести короткую графитовую отметку, то есть отметку карандашом на кварцевом элементе, чтобы немного понизить его резонансную частоту.

Другим действительно удалось отшлифовать основные плоские грани кристалла, чтобы немного увеличить резонансную частоту. Для этого требовалось настоящее мастерство, поскольку лица должны были оставаться практически идеально параллельными.

Во всех случаях элемент из кристалла кварца должен оставаться как можно более чистым.Было высказано предположение, что при этом нужно надевать хлопчатобумажные перчатки.

Эти операции ни в коем случае не рекомендовались, но для тех, кто хотел экспериментировать и имел запасные кристаллы, можно было изменить резонансную частоту, хотя почти всегда активность кристаллов кварца была снижена.

Хотя кварцевые кристаллы обеспечивают простое, точное, стабильное решение с низким уровнем фазового шума для использования в генераторах, часто бывает необходимо иметь возможность регулировать частоту. Концепция изменения частоты с помощью конденсатора переменной нагрузки широко используется в огромном количестве схемотехнических решений.Это достигается очень просто с использованием очень небольшого количества электронных компонентов.

Хотя существует баланс между величиной тяги или сдвига и другими аспектами, такими как стабильность, фазовый шум и т.п., обычно используемые уровни сдвига означают, что производительность обычно подходит практически для всех приложений.

Другие электронные компоненты:
резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы ВЧ разъемы Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

TXC Техническая терминология

(1) Номинальная частота и ее допуск или точность калибровки

Частота кварцевого резонатора обычно указывается в мегагерцах (МГц) или килогерцах (кГц). Нормальная частота — это выходная частота, которую мы ожидаем от схемы колебаний кристалла при надлежащем согласовании. Существует некоторое отклонение частоты от номинальной частоты при температуре окружающей среды (относительно 25 ° C) для реального устройства.Допуск идеального отклонения центральной частоты как параметра устройства определяется максимальным значением, выраженным в процентах (%) или частях на миллион (ppm).

(2) Фундаментальные и обертонные колебания

Сдвиговая вибрация по толщине является основной формой колебаний, существующей при резке AT. Гармонические колебания высокого порядка сосуществуют с фундаментальными колебаниями между областями электродов. Из-за обратной полярности двух электродов в пьезоэлектрических кварцевых резонаторах могут возбуждаться только гармонические колебания с нечетным числом.

(Рис.10) В кристаллическом резонаторе

могут возбуждаться только нечетные гармонические колебания. (3) Емкость нагрузки

Емкость нагрузки, CL, представляет собой величину емкости, которую генератор демонстрирует при взгляде на цепь через два конца резонатора. Емкость нагрузки формально устанавливается последовательно или параллельно резонатору. Для случая параллельной нагрузки наличие CL повлияет на частоту параллельного резонанса, а резонансная частота параллельной нагрузки, fL, определяется выражением

Этот параметр необходимо указать.

(4) Стабильность частоты-температуры

Стабильность частоты-температуры обозначается величиной отклонения частоты от значения при стандартной температуре окружающей среды (обычно 25 ° C), вызванного изменением рабочей температуры. Этот параметр задается кривой, показывающей изменение частоты (выраженное в% или ppm) в зависимости от отклонения температуры от эталонной температуры (25 ° C). Температурная стабильность кварцевого устройства зависит от типа реза, режима вибрации и размеров кварцевой заготовки.Кроме того, величина отклонения связана с диапазоном рабочих температур, емкостью нагрузки и уровнем возбуждения кристаллического резонатора.

(5) Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR)

Сопротивление R1, появляющееся в последовательной ветви (рис.5), может быть измерено на последовательной резонансной частоте, где эффекты C1 и L1 взаимно компенсируются, а эффективная результат ответвления резистивный. R1 представляет собой механические потери в кристалле и держателе.

(6) Динамическая емкость C1 и подвижная индуктивность L1

Эти два параметра определенно связаны последовательной резонансной частотой, fs, как указано в уравнении (1), и fs является очень надежным параметром в конструкции резонатора и в характеристике. В отраслевом стандарте указано только значение C1, а значение L1 можно получить из

Значение C1 очень мало по сравнению с емкостями, обычно используемыми в колебательных цепях, и может быть оценено по материалам и геометрическим параметрам кристаллической пластины и электродов.

(7) Статическая емкость Co (в шунте)

Шунтирующая емкость Co — это статическая емкость, которая присутствует независимо от того, колеблется устройство или нет. Значение Co можно измерить на очень низкой частоте (менее или около 1 МГц), и теоретически оно равно

. где A — площадь электрода, d — толщина заготовки, Îµ — диэлектрическая проницаемость соответствующего среза кристалла.

In практически, Co включает не только статическую емкость кварцевой заготовки с покрытием, но также емкость проводящего связующего материала и емкость самого корпуса.

(8) Уровень возбуждения

Уровень возбуждения резонатора — это количество рассеиваемой мощности, выраженное в нановаттах, микроваттах или милливаттах. Рабочий уровень — это подходящий диапазон мощности для обеспечения правильного запуска и поддержания устойчивых колебаний. Уровень возбуждения должен работать на минимальном уровне, чтобы избежать долговременного дрейфа частоты и разрушения кристалла. Как правило, чем меньше размер продукта, тем ниже уровень возбуждения, не повреждая кварцевые резонаторы при длительном использовании.Как правило, уровень мощности от 10 до 100 мкВт достаточно для большинства приложений.

(9) Q-фактор качества

Для резонатора очень важным параметром является добротность Q. В спецификации указаны значения Q для разгруженного и нагруженного оборудования. Без нагрузки Q, или механический Q, может быть выражен как

где, R1 — сопротивление, появляющееся в последовательной ветви.

Нагруженное значение Q зависит от нагруженной цепи.

(10) Тяговая способность

В генераторе емкости с параллельной нагрузкой частота колебаний зависит от емкости нагрузки CL, как показано в уравнении.(3) и (Рис.11). Изменение частоты (в ppm) как функция изменения емкости нагрузки (в пФ) является спецификацией. В некоторых приложениях, где изменение резонансной частоты под нагрузкой является обязательным (например, VCXO), необходимо указать тяговую способность.

(Рис.11) Изменение частоты в зависимости от емкости нагрузки

(11) СТАРЕНИЕ

Старение — это относительное изменение рабочей частоты за определенный период времени и выражается в частях на миллион (ppm) в течение определенного периода.Эта скорость изменения частоты обычно носит экспоненциальный характер. Наибольшая скорость старения наблюдается в течение первой недели старения и медленно снижается после отделения. Обычно старение рассчитывается в течение первых 30 дней и рассчитывается на долгосрочный период (один год или десять лет). Скорость старения зависит от многих факторов: метода уплотнения, целостности, производственных процессов, типа материала, рабочей температуры и частоты.

(12) ДИАПАЗОН ТЕМПЕРАТУР ХРАНЕНИЯ

В спецификации указаны минимальные и максимальные температуры, при которых устройства могут храниться или подвергаться воздействию в нерабочем состоянии.После хранения или выдержки устройств в указанном температурном диапазоне в течение длительного времени все характеристики гарантируются для указанного диапазона рабочих температур.

(13) Отрицательное сопротивление «-R»

Отрицательное сопротивление вводится для описания электрических свойств схемы генератора.

Вопрос — Миландр

виды и применение, маркировка и устройство

Свойства кварцевого резонатора

Параметры кварцевых резонаторов

Температурная нестабильность частоты

Режим работы резонатора (номер гармоники)

Параметры температуры

Электрические параметры

Емкость нагрузки СL

Заключение

Глобальная тенденция микроминиатюризации в электронике

Выбор правильного генератора для вашего микроконтроллера

Варианты генерирования тактового сигнала

Внутренние генераторы: принцип KIS

Генератор на CMOS логике

Кварцевые и керамические резонаторы

Последний и наименее распространенный…

Заключение

Теги

Кварцевый резонатор с температурным датчиком в корпусе 1612 и высотой 0,45 мм для мобильных устройств от компании NDK

Выбор типа тактового генератора | others

Кварцевый резонатор. Конструкция. Принцип работы и свойства…

Принцип работы кварцевого резонатора.

Кварцевый резонатор в кристаллодержателе

Принцип действия кварцевого генератора

Обозначение кварцевого резонатора.

Условное обозначение кварцевого резонатора на схемах.

Как проверить кварцевый резонатор при диагностических процедурах?

История изготовлений различных конструкций кварцевых резонаторов

Применение. И спациальные типы кварцевых генераторов

Преимущества

Недостатки

Как выбрать тип генератора.? Сравнение кварцевых с другими типами генераторов

Rb-OSC (Рубидиевый генератор):

Чрезвычайно устойчивый осциллятор с использованием атомного резонанса рубидия,

Связанные с резонатором приборы

— Емкость нагрузки кварцевого генератора, опять же

Мифы о емкости нагрузки — как правильно выбрать конденсаторы • Пресс-релиз IQD

Оценка влияния емкости нагрузки на частоту кристалла кварца

Нагрузочная емкость кристалла: ключевой фактор

Согласование емкости нагрузки

Частота колебаний при произвольной нагрузке

Точная настройка частоты колебаний

Чувствительность дифферента

Выбор подходящего кристалла и колпачков для вашего дизайна «Adafruit Industries — Создатели, хакеры, художники, дизайнеры и инженеры!

Дополнительная литература

Измерение и подстройка частоты кварцевого резонатора »Электроника

Можно подрезать или уменьшить частоту кварцевого резонатора, добавив дополнительную емкость и индуктивность, а также коэффициент затяжки для кристаллов.

Основы вытягивания резонансной частоты кристаллического резонатора

Цепи натяжения кварцевых резонаторов с частотой

Изменение резонансной частоты кристалла

TXC Техническая терминология

alexxlab

Добавить комментарий Отменить ответ

Рубрики