Пьезоэлектрические резонаторы | АО Пьезо

Общие сведения о пьезоэлектрических резонаторах

Пьезоэлектрические резонаторы являются пассивными компонентами радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и предназначены для использования в аналоговых цепях для стабилизации и выделения электрических колебаний определенной частоты или полосы частот.

В широкой области частот сопротивление пьезоэлектрических резонаторов имеет емкостный характер и только на некоторых частотах имеет резко выраженный резонанс, что определяет название компонента. Термин «пьезоэлектрический» показывает, что действие компонента основано на использовании пьезоэлектрических свойств материала, из которого изготовлен пьезоэлемент — основная деталь резонатора. Иногда пьезоэлектрические резонаторы определяют как прибор, представляющий одну или несколько электромеханических систем пьезоэлектрического типа. Такое определение пьезоэлектрического резонатора слишком общее и может быть распространено на большинство пьезоэлектрических приборов являющихся электромеханическими преобразователями, например телефон, микрофон, звукосниматель и др. Пьезоэлектрические резонаторы отличаются от указанных выше пьезоэлектрических приборов, являющихся электромеханическими преобразователями и имеющих соответственно электрический и механический вход и выход, тем, что имеют только электрические входы и выходы, т. е. рассматриваются как электрические двухполюсники или многополюсники. Для потребителей резонаторов механическая сущность происходящих в них явлений скрыта и может, казалось бы, не рассматриваться.

Основным электрическим параметром пьезоэлектрического резонатора является частота его резонанса, жестко фиксированная. Каких-либо устройств для ее изменения пьезорезонатор обычно не имеет.

Избирательный, резонансный характер сопротивления пьезорезонатора определяет области их применения — цепи частотной селекции различных радиотехнических устройств, преимущественно генераторов электрических колебаний высокой стабильности частоты и частотных фильтров большой избирательности.

Термины и определения для пьезоэлектрических резонаторов

Основные термины для пьезоэлектрических резонаторов установлены стандартами Международной электротехнической комиссии (МЭК). В соответствии с этим документом определена стандартная отечественная терминология для основных понятий, касающихся пьезоэлектрических резонаторов. В справочнике использована стандартная терминология, имеющаяся в указанных документах. Понятия, для которых еще нет твердо установленных терминов, определены терминами, известными из тех или иных источников, на которые даны соответствующие ссылки.

Пьезоэлектрический резонатор (пьезорезонатор) — компонент радиоэлектронной аппаратуры. Его основной частью является пьезоэлемент, определяющий резонансный характер зависимости его полного сопротивления от частоты и имеющий параметры и характеристики, оговоренные в технической документации.

Многополюсный резонатор — резонатор с числом внешних выводов больше двух, соединенных с электродами пьезоэлемента и не связанных электрически между собой.

Многоэлементный пьезорезонатор — пьезоэлектрический резонатор, в корпусе которого смонтировано несколько пьезоэлементов.

Двухмодовый резонатор — резонатор, пьезоэлемент которого имеет две рабочие моды колебаний и соответственно две рабочие частоты.

Бескорпусной пьезорезонатор — пьезорезонатор, не имеющий внешней оболочки (корпуса), конструктивные и электрические параметры которого нормированы, а методы испытаний и правила обращения указаны в технической документации. Термины «пьезоэлемент» и «пьезовибратор» синонимами бескорпусного резонатора не являются.

Пьезоэлектрический элемент (пьезоэлемент) — пластина, стержень или тело иной формы из пьезоэлектрика, имеющие определенные размеры и ориентацию относительно кристаллографических осей или определенное направление поляризации (для керамики) с электродами.

Пьезоэлектрический вибратор (пьезовибратор) — пьезоэлемент с деталями крепления или смонтированный с держателем.

Электроды — пленки, наложенные на пьезоэлектряческую пластину, или проводящие пластины, расположенные вблизи нее, предназначенные для приложения внешнего электрического напряжёi4ия или съема пьезоэлектрических зарядов.

Корпус — оболочка, предохраняющая пьезоэлемент от внешних механических и климатических воздействий и имеющая выводы для соединения с внешней электрической цепью.

Держатель — устройство для фиксации положения пьезоэлемента в корпусе резонатора или на плате функционального пьезоэлектрического прибора.

Отражатель — компактная относительно массивная деталь в виде шайбы, шарика или тела иной формы устанавливаемая на проволочных держателях для предотвращения потерь энергии вследствие распространения по ним возбужденных пьезоэлементом механических колебаний.

Пьезоэлектрическая подложка (пьезоподложка) — пластина из пьезоэлектрика с пленочными электродами, на которой расположены также элементы другого функционального назначения.

Микроминиатюрные резонаторы — сверхминиатюрные резонаторы, предназначенные для использования в наручных электронных часах и микроэлектронной аппаратуре.

Резонатор-термостат — резонатор, у которого внутри корпуса размещены нагреатель пьезоэлемента, датчик температуры и другие элементы, определяющие температурньтй режим ПЭ.

Интегральный резонатор — резонатор, основные элементы которого (пьезоэлемент, детали его крепления и держатель) выполнены из одного куска пьезоэлектрика.

Резонатор с зазором — резонатор, пьезоэлемент которого имеет электроды, расположенные на небольшом расстоянии от поверхности последнего.

Полюс резонатора — внешний вывод от электрода ПЭ для включения во внешнюю цепь.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР — что такое в Физической энциклопедии

— пьезоэлектрический преобразователь с ярко выраженными резонансными свойствами вблизи собств. частот колебаний механич. системы (см. также Резонанс). Представление П. р. в виде эквивалентной схемы с сосредоточенными параметрами см. на рис. 1. При внеш. возбуждающей частоте f = f _р наступает механич. резонанс и ток в электрич. цепи П. р. достигает макс. значения. При повышении частоты до f _а > f_p называемой частотой антирезоианса, импеданс П. р. становится максимальным, а ток в его цепи — минимальным (резонанс токов).

Рис. 1. Эквивалентная схема пьезоэлектрического резонатора.

Рис. 2. Зависимость реактивного сопротивления пьезоэлектрического резонатора от частоты колебаний.

Величину называют резонансным промежутком. Качество П. р. определяется остротой его частотной характеристики (рис. 2) и величиной кпд. Значение частот и позволяет определить ряд важных характеристик П.р., и в первую очередь коэф. эл.-механич. связи К! Экспериментально параметры П. р. определяются методами резонанса — антирезонанса, переменой электрич. нагрузки, круговых диаграмм и др. П. р. широко используются в радиотехнике, электронике, электроакустике и др. в качестве фильтров, резонаторов в задающих генераторах, резонансных пьезопреобразователей и пьезотрансформаторов. Пьезо-электриком в П. р. служит кристалл кварца или пьезо-керамика с малыми потерями. Кварцевые резонаторы применяются в качестве резонансных контуров генераторов электрич. ВЧ-колебаний. Высокая добротность (10⁴ — 10⁵) кварцевого резонатора определяет малый уход частоты генератора от её номинального значения [(10^-3 — 10^-5)%] при изменении окружающей темп-ры, давления и влажности. Разработаны микроминиатюрные кварцевые резонаторы на частоты колебаний 30 кГц — 8,4 МГц, нашедшие применение в электронных часах, системах электронного зажигания двигателей внутр. сгорания и др. П. р. на основе кварца используются в акустоэлектронных устройствах фильтрации и обработки сигналов: монолитных пьезо-электрич. фильтрах, а также фильтрах и резонаторах на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Осн. достоинство резонаторов на ПАВ — возможность использования в устройствах стабилизации частоты и узкополосной фильтрации в диапазоне частот 100- 1500 МГц. Пьезоэлектрич. фильтры из пьезокерамики, как правило, многозвенные, изготавливают на частоты 1 кГц — 10 МГц. При этом на частотах до 3,5 кГц используют биморфные пьезоэлементы, когда П. р. совершает резонансные колебания изгиба по грани; в диапазоне 40-200 кГц применяют П. р. с продольными колебаниями по длине, а на частотах 200-800 кГц — П. р. в виде дисков, совершающих радиальные колебания. На частотах св. 1 МГц используют толщинные колебания пьезокерамич. колец. Рассматриваемые фильтры отличаются простотой конструкции, малыми (по сравнению с LC-фильтрами) габаритами и стабильными рабочими характеристиками (табл.).

Параметры пьезоэлектрического резонатора

Основные параметры	Производные параметры
Ёмкость П. р., заторможенного по отношению к рассматриваемому резонансу	Ёмкостное отношение
Динамич. ёмкость С,	Механич. добротность
Динамич. индуктивность L,	Коэф. качества
	Резонансная частота
Эквивалентное сопротивление механич, потерь R1	Частотная постоянная Константа динамич, емкости

Примечание, d -резонансный размер; t -расстояние между электродами; А-площадь электродов.

Лит.: Кэди У., Пьезоэлектричество и его практические применения, пер. с англ., М., 1949; Пьезокерамические преобразователи, под ред. С. И. Пугачева, Л., 1984; Интегральные пьезоэлектрические устройства фильтрации и обработки сигналов, под ред. Б. Ф. Высоцкого, В. В. Дмитриева, М., 1985.

F. F. Легуша, С. И. Пугачёв.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1988.

Принцип работы пьезоэлектрических резонаторов | АО Пьезо

Опыт показывает, что проводимость пьезоэлемента в цепи переменного тока, частота которого плавно изменяется в широких пределах, возрастает с ростом частоты и линейно зависит от последней, т. е. имеет емкостный характер. Однако закономерный емкостный характер проводимости нарушается на некоторых частотах и характеризуется резким ростом проводимости, вслед за которым следует её резкое падение. В момент, когда проводимость становится максимальной, её характер изменяется — она становится активной. Активный характер проводимости наблюдается также в момент, когда она минимальна. В промежутке между максимальным и минимальным значениями проводимость имеет индуктивный характер. Эти изменения проводимости имеют типично резонансный характер.

На рисунке изображена полная проводимость пьезоэлемента (Y) в широком интервале частот (F). В точках P (резонанс) и A (антирезонанс) проводимость имеет активный характер, между этими точками — индуктивный, а на частотах ниже точки P и выше точки A — емкостной

Резонансные явления в электрической цепи пьезоэлементов обусловлены резонансами его мехапических колебаний. Резонансные колебания в твердом упругом теле наблюдаются тогда, когда частота возбуждающей силы оказывается близкой к частоте его собственных колебаний. Любой механический элемент характеризуется массой, упругостью и показателем, характеризующим необратимые энергетические потери, например трением или излучением колебаний во внешнюю среду. Известно, что механический элемент оказывает сопротивление воздействию внешней силы и в нём возникают реактивные силы (силы противодействия), обусловленные массой, упругостью, трением. Современная механика широко использует понятие механического сопротивления для решения различных механических задач, преимущественно касающихся колебаний реальных систем.

Каждый механический элемент (масса, упругость, трение) оказывает противодействие (реакцию) воздействующей на него силе, поэтому колебательная скорость их движения зависит не только от величины силы, но и от реакции механического элемента. Для твёрдых тел механическое сопротивление какого-либо элемента определяется как отношение силы к колебательной скорости. Поскольку реакции массы, упругости и трения при механических колебаниях имеют различный характер, механическое сопротивление имеет комплексный характер. В случае внешней периодической силы механическое сопротивление, определяемое массой, возрастает с частотой и равно произведению массы на круговую частоту. Механическое сопротивление, определяемое упругостью, наоборот, обратно пропорционально круговой частоте и гибкости элемента. На низких частотах реакция массы элемента незначительна и может не приниматься в расчёт, а реакция определяется его упругостью. С ростом частоты реакция упругости уменьшается, а реакция массы возрастает и, наконец, наступает момент, когда на некоторой частоте механические сопротивления массы и упругости оказываются равны и компенсируют друг друга. Формально компенсация объясняется различием знаков этих сопротивлений. Физически же компенсация объясняется тем, что на низких частотах внешняя сила преодолевает только упругие силы и смещения совпадают по фазе с внешней силой. Когда же частота внешней силы велика, ей приходится преодолевать преимущественно инерцию массы, сообщая последней ускорение. При этом фаза ускорения совпадает с фазой внешней силы, фаза же смещений оказывается противоположной фазе внешней силы (ускорение является второй производной смещений по времени). Следовательно, направления реакций массы и упругости противоположны.

Известно, что добротность Q механических колебательных систем существенно больше, чем электрических колебательных контуров, и характеризуется величинами от тысяч до сотен тысяч. Поэтому амплитуды механических колебаний пьезоэлемента при механическом резонансе в Q раз больше амплитуды его колебаний вне области резонанса. Электрические величины, характеризующие колебания пьезоэлемента, например электрический ток, связаны прямой зависимостью с механическими напряжениями и деформациями. В момент механического резонанса соответственно возрастает ток через пьезоэлемент и частотная характеристика тока приобретает резонансный характер, точно соответствующий характеристике механических резонансных колебании. Такова, в общем, картина резонансных явлений, наблюдаемых в пьезоэлектрическом резонаторе, объясняющая возникновение резонанса в электрической цепи.

Резонансные явления в электрической цепи резонатора имеют место для тех видов механических колебаний, которые возбуждаются пьезоэлектрически. Если частота внешнего электрического напряжения совпадает с частотой собственных механических колебаний, которые пьезоэлектрически не возбуждаются, то резонанса в электрической цепи наблюдаться не будет или он будет выражен очень слабо и обусловлен наличием механической связи с колебанием, возбуждаемым пьезоэлектрически. Однако при близости такого резонанса к частоте резонанса, возбуждаемого пьезоэлектрически, связь возрастает и побочный резонанс оказывается достаточно интенсивным.

Если бы потери механического или электрического происхождения в резонаторе отсутствовали, то и механические напряжения в момент резонанса достигли бы бесконечно большого значения и резонатор был бы разрушен. Однако реально механические и электрические потери всегда существуют и такого явления обычно не наблюдается. Ток в цепи резонатора при резонансе всегда имеет конечное значение и активный характер, определяемый наличием потерь.

В большинстве случаев пьезоэлементы имеют только два электрода и резонаторы с такими пьезоэлементами являются электрическими двухполюсниками. Но в ряде случаев в резонаторах используют пьезоэлемент с большим числом электродов, имеющих отдельные выводы, например с четырьмя электродами. Такие резонаторы с многоэлектродными пьезоэлементами следует рассматривать как электрические многополюсники. Резонаторы с четырехэлектродными пьезоэлементами достаточно часто используют в генераторах и фильтрах, так как они позволяют заменить два резонатора на одну частоту одним четырехполюсным, устранить нежелательные кондуктивные связи, использовать сдвиг фаз на 180° между двумя парами выводов, использовать трансформацию напряжения и преобразование сопротивления.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР — это… Что такое ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР?

— пьезоэлектрический преобразователь с ярко выраженными резонансными свойствами вблизи собств. частот колебаний механич. системы (см. также Резонанс). Представление П. р. в виде эквивалентной схемы с сосредоточенными параметрами см. на рис. 1. При внеш. возбуждающей частоте f = f _р наступает механич. резонанс и ток в электрич. цепи П. р. достигает макс. значения. При повышении частоты до f _а > f_p называемой частотой антирезоианса, импеданс П. р. становится максимальным, а ток в его цепи — минимальным (резонанс токов).

Рис. 1. Эквивалентная схема пьезоэлектрического резонатора.

Рис. 2. Зависимость реактивного сопротивления пьезоэлектрического резонатора от частоты колебаний.

Величину называют резонансным промежутком. Качество П. р. определяется остротой его частотной характеристики (рис. 2) и величиной кпд. Значение частот и позволяет определить ряд важных характеристик П. р., и в первую очередь коэф. эл.-механич. связи К! Экспериментально параметры П. р. определяются методами резонанса — антирезонанса, переменой электрич. нагрузки, круговых диаграмм и др. П. р. широко используются в радиотехнике, электронике, электроакустике и др. в качестве фильтров, резонаторов в задающих генераторах, резонансных пьезопреобразователей и пьезотрансформаторов. Пьезо-электриком в П. р. служит кристалл кварца или пьезо-керамика с малыми потерями. Кварцевые резонаторы применяются в качестве резонансных контуров генераторов электрич. ВЧ-колебаний. Высокая добротность (10⁴ — 10⁵) кварцевого резонатора определяет малый уход частоты генератора от её номинального значения [(10^-3 — 10^-5)%] при изменении окружающей темп-ры, давления и влажности. Разработаны микроминиатюрные кварцевые резонаторы на частоты колебаний 30 кГц — 8,4 МГц, нашедшие применение в электронных часах, системах электронного зажигания двигателей внутр. сгорания и др. П. р. на основе кварца используются в акустоэлектронных устройствах фильтрации и обработки сигналов: монолитных пьезо-электрич. фильтрах, а также фильтрах и резонаторах на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Осн. достоинство резонаторов на ПАВ — возможность использования в устройствах стабилизации частоты и узкополосной фильтрации в диапазоне частот 100- 1500 МГц. Пьезоэлектрич. фильтры из пьезокерамики, как правило, многозвенные, изготавливают на частоты 1 кГц — 10 МГц. При этом на частотах до 3,5 кГц используют биморфные пьезоэлементы, когда П. р. совершает резонансные колебания изгиба по грани; в диапазоне 40-200 кГц применяют П. р. с продольными колебаниями по длине, а на частотах 200-800 кГц — П. р. в виде дисков, совершающих радиальные колебания. На частотах св. 1 МГц используют толщинные колебания пьезокерамич. колец. Рассматриваемые фильтры отличаются простотой конструкции, малыми (по сравнению с LC-фильтрами) габаритами и стабильными рабочими характеристиками (табл.).

Параметры пьезоэлектрического резонатора

Основные параметры	Производные параметры
Ёмкость П. р., заторможенного по отношению к рассматриваемому резонансу	Ёмкостное отношение
Динамич. ёмкость С,	Механич. добротность
	Коэф. качества
	Резонансная частота
Эквивалентное сопротивление механич, потерь R1	Частотная постоянная Константа динамич, емкости

Примечание, d -резонансный размер; t -расстояние между электродами; А-площадь электродов.

Лит.: Кэди У., Пьезоэлектричество и его практические применения, пер. с англ., М., 1949; Пьезокерамические преобразователи, под ред. С. И. Пугачева, Л., 1984; Интегральные пьезоэлектрические устройства фильтрации и обработки сигналов, под ред. Б. Ф. Высоцкого, В. В. Дмитриева, М., 1985.

F. F. Легуша, С. И. Пугачёв.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

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

Добротность пьезоэлектрических резонаторов | АО Пьезо

Реальные колебательные системы (механические, электрические и электромеханические) имеют различного рода потери, определяющие затухание их колебаний. Важным параметром таких систем, характеризующим их избирательные свойства, является добротность. Добротность Q по определению есть энергетический коэффициент, представляющий отношение реактивной мощности колебательной cистемы Рр к её активной мощности Ра: Q = Рр / Ра.

Для расчётов более удобно выражать добротность как отношение максимальной реактивной энергии Wр, накапливаемой системой за период колебаний, к активной энергии Wа, расходуемой на разного рода потери за то же время: Q = 2π Wp / Wa.

Добротность пьезоэлектрических резонаторов, для которых справедлива эквивалентная электрическая схема, может быть выражена через эквивалентные электрические параметры: Q = ω₁ L₁ / R₁ = 1 / ω₁ C₁ R₁, где ω₁ — круговая частота последовательного резонанса резонатора.

Колебания резонаторов сопровождаются разного рода потерями, совокупность которых определяет значения динамического сопротивления, называемого поэтому иногда сопротивлением потерь, следовательно, и добротности. Эти потери имеют как механическую, так и электрическую природу. Кварц является почти идеальным диэлектриком, поэтому потери диэлектрического происхождения могут не приниматься во внимание. У таких пьезоэлектриков, как пьезокерамика, диэлектрические потери значительны и могут заметно влиять на сопротивление и добротность резонаторов. Электрические потери, обусловленные главным образом сопротивлением электродов, обычно невелики и значительно меньше механических. Природа механических потерь сложна и разнообразна. Основными потерями являются: потери на акустическое излучение, внутреннее и наружное трение, связанные колебания в пьезоэлементе.

Акустическая передача (излучение) колебаний происходит как в воздушную среду, окружающую пьезоэлемент, так и в систему крепления пьезоэлемента. Потери на акустическую передачу в воздушную среду можно радикально устранить, удалив её из оболочки резонатора, что и делают в вакуумных резонаторах. В герметичных конструкциях можно уменьшить потери на излучение установкой специальных экранов, расположенных относительно излучающих поверхностей пьезоэлектрического элемента так, чтобы отражать и возвращать обратно энергию, излучённую ,в воздушную среду. Такой же принцип используется и для уменьшения потерь, обусловленных передачей энергии механических колебаний в систему крепления. На проволочных держателях, являющихся механическими волноводами, для этого устанавливают специальные детали, называемые отражателями.

Интенсивные механические колебания пьезоэлемента могут вызывать ионизацию окружающего его слоя газа, являющуюся также источником дополнительных потерь.

Потери на внутреннее трение происходят как в кристаллическом материале пьезоэлемента, так и в присоединенных к нему элементах — электродных и контактных покрытиях, проволочных держателях, соединительных материалах (припоях, клеях). Трение в поверхностном слое пьезоэлемента, нарушенном процессами механической обработки, также является источником интенсивных потерь. Потери этого рода значительно больше потерь на внутреннее трение кристалла. Для их уменьшения повышают чистоту обработки поверхности пьезоэлектрического пьезоэлемента, подвергая её тонкой шлифовке, полировке и травлению.

Источником потерь в поверхностном слое являются также разного рода загрязнения, например остатками флюса, следами жира и пота рук и т. п. Существенным источником потерь являются материалы, посредством которых крепятся проволочные держатели — мягкие припои и клеи. Для уменьшения этих потерь используют минимальные дозы припоя и составы с небольшим внутренним трением. Мягкие припои, содержащие свинец, вносят существенное затухание и в настоящее время не используются. Для иллюстрации степени влияния материала припоя на затухание можно привести такой пример: замена паяного соединения на термокомпрессионное у резонатора продольных колебаний повысила добротность с 5×10⁴ до 5×10⁵, т. е. на порядок. Достигнутый уровень технологии при правильных конструктивных решениях позволяет в настоящее время существенно уменьшить разного рода механические потери и гарантировать средний уровень добротности резонаторов не менее 10⁴… 10⁵ для большинства типов. Очень высокие значения добротности (выше 10⁵) в большинстве случаев не требуются. Большая добротность необходима только для резонаторов, используемых в высокостабильных кварцевых генераторах и узкополосных стабильных фильтрах. Большая добротность резонаторов является следствием правильных конструктивных решений и свидетельством высокой культуры производства. Высокодобротные резонаторы имеют, как правило, более высокую временную стабильность частоты (меньшее старение). У малодобротных резонаторов чаще наблюдаются большие величины старения.

В прецизионных кварцевых резонаторах некоторых типов добротность достигла предельно высоких значений и определяется практически только внутренним трением в кварце. Все остальные виды потерь уменьшены до предельно малых величин. В зависимости от частоты, типа колебаний и некоторых других факторов значения добротности могут достигать нескольких миллионов или даже десятков миллионов.

Эквивалентная электрическая схема пьезоэлектрических резонаторов

Для описания характеристик электрических длинных линий и цепей с распределенными параметрами широко используют эквивалентные электрические схемы, составленные из элементов с сосредоточенными параметрами. Целесообразно и для резонаторов использовать такие эквивалентные схемы, учитывая, что пьезоэлемент, как правило, представляет механическую колебательную систему с распределенными параметрами — массой, упругостью и параметром, определяющим потери, например трением или акустическим излучением.

В области частот, близких к резонансу, характер изменения проводимости пьезорезонатора оказывается сходным с проводимостью электрического последовательного колебательного контура, шунтированного конденсатором. Это даёт основание использовать для описания проводимости или сопротивления в области частот, близких к резонансу, эквивалентную электрическую схему (схему замещения), составленную из элементов с сосредоточенными параметрами (индуктивности, емкостей и сопротивления), значения которых постоянны и не зависят от амплитуды колебаний и частоты. Такая эквивалентная схема в виде колебательного контура изображена на рисунке.

Эквивалентная электрическая схема пьезоэлектрического резонатора:
C₁, L₁, R₁ — динамические, C₀ -параллельная ёмкость;
электрические параметры (ёмкость, индуктивность и сопротивление)

Ей соответствуют две резонансные частоты fр и fа, на которых сопротивление резонатора имеет активный характер. Первый резонанс на более низкой частоте характеризуется низким сопротивлением, второй — на более высокой частоте имеет высокое сопротивление. Низший резонанс эквивалентной схемы обусловлен резонансом напряжений (последовательным резонансом) ветви, состоящей из последовательного соединения индуктивности L₁, ёмкости C₁ и сопротивления R₁. Эту ветвь называют динамической или пьезоэлектрической. Её элементы физически не существуют, а их параметры могут быть определены только в условиях резонансного возбуждения. Второй резонанс на несколько более высокой частоте — резонанс токов или параллельный резонанс, возникающий в параллельном контуре, одна ветвь которого содержит ёмкость С₀, а другая — последовательное соединение элементов L₁, C₁ и R₁. Этот резонанс характеризуется высоким сопротивлением. Элементы эквивалентной электрической схемы называют эквивалентными электрическими или динамическими параметрами резонатора. Это динамическая (эквивалентная) индуктивность L₁, динамически (эквивалентная) ёмкость С₁ динамическое (эквивалентное) сопротивление R₁ и параллельная ёмкость С₀

Реактивные динамические параметры L₁ и C₁ определяются упругими, диэлектрическими и пьезоэлектрическими коэффициентами, а также плотностью пьезоэлектрика. Значения этих параметров существенно зависят от среза (ориентации) пьезоэлемента, вида и частоты возбуждаемых механических колебаний, размеров пьезоэлементов и электродов. Динамическое сопротивление зависят от внутреннего трения и источников других механических потерь. Потери электрического происхождения в пьезоэлектрическом резонаторе обычно малы и не принимаются во внимание. Только для некоторых видов кристаллов и пьезокерамики электрические потери заметны, и их следует учитывать.

Динамическое сопротивление может быть измерено непосредственно, например, с помощью мостового измерителя полных сопротивлений. Динамические индуктивность и ёмкость могут быть измерены только косвенными методами.

Из четырех эквивалентных параметров только параллельная ёмкость имеет конкретное физическое воплощение, её значение определяется межэлектродной ёмкостью пьезоэлектрика, емкостями корпуса и монтажа. Она может быть непосредственно измерена с некоторым приближением известными методами. В случае «сильных» пьезоэлектриков, как уже указывалось, емкость С₀ заметно зависит от частоты, на частотах ниже резонанса она больше, а на частотах выше резонанса — меньше. Измерение параллельной ёмкости не может быть осуществлено на резонансной частоте. Её измеряют на частотах, достаточно удаленных от резонансной. Для «сильных» пьезоэлектриков ёмкость С₀ измеряют на частоте выше резонанса, т. е. в условиях частично или полностью зажатого пьезоэлемента. Параллельная ёмкость включает в себя ёмкость пьезоэлемента как конденсатора, ёмкости корпуса и держателя и ёмкость монтажа. Ранее параллельную ёмкость ошибочно называли статической, полагая её не зависящей от частоты. Если последнее допустимо считать для «слабых» пьезоэлектриков, таких как кварц, то для резонаторов из «сильных» пьезоэлектриков (пьезокерамика, танталат лития и др.) зависимость ёмкости С₀ от частоты следует учитывать. Поэтому МЭК в своих стандартах отказался от термина «статическая ёмкость» и заменил его более точным термином «параллельная ёмкость». В дальнейшем будет использоваться только последний термин. Эквивалентная схема на рисунке называется простой, она удовлетворительно описывает частотную зависимость полного сопротивления резонаторов вблизи резонанса, а разработчиков аппаратуры в большинстве случаев удовлетворяет знание значений её эквивалентных параметров.

В некоторых случаях эквивалентную схему приходится усложнять, вводя в неё параметры других элементов, например индуктивность держателя и выводов, ёмкости между корпусом и пьезоэлементом и др. Такие усложненные схемы рассматриваются в следующем разделе.

Пьезорезонаторы обычно имеют несколько резонансов, обусловленных колебаниями разных видов или обертонами какого-либо вида колебаний. В этом случае эквивалентная схема, отражающая наличие нескольких резонансов, выглядит в виде параллельного соединения ряда динамических ветвей, шунтированного общей параллельной ёмкостью.