Site Loader
Posted on 15.07.1974

Содержание

Кварцевый резонатор | Описание, принцип работы, схемы

Кварцевый резонатор – это радиоэлемент, который используется в радиотехнических цепях для генерации электрических колебаний. В этой статье мы подробно рассмотрим и развенчаем некоторые мифы, связанные с кварцевым резонатором, а также рассмотрим схемы на его основе.

Пьезоэлектрики


На самом деле, кварц  – это один из самых распространенных минералов в земной коре. Его доля составляет около 60%! Если полупроводниковые радиокомпоненты в основном делают из кремния, то кварц тоже состоит из кремния но в связке с кислородом. Его химическая формула SiO2.

Выглядит минерал кварц примерно вот так.

минерал кварц

Ну прямо как сокровище какое-то! Но ценность этого сокровища спрятана не в самом кварце, а в том, каким свойством он обладает. И этот эффект кварца сделал революцию в прецизионной (точной) электронике для генерации высокостабильных колебаний электрического сигнала.

Еще в 19 веке два брата Кюри обнаружили интересное свойство некоторых твердых кристаллов генерировать ЭДС , деформируя эти кристаллы. Деформация – это изменение формы какого-либо тела с помощью кручения, удара, растяжения и так далее. Так вот, ударяя по таким кристаллам, они обнаружили, что те могут выдавать какое-либо кратковременное напряжение.

пьезоэффект

Но они также обнаружили еще и обратный эффект. При подаче напряжения на такие кристаллы, эти кристаллы деформировались сами. Невооруженным глазом это было практически не заметно. Такой эффект назвали пьезоэффектом, а вещества  –  пьезоэлектриками.

Следует заметить, что ЭДС возникает только в процессе сжатия или растяжения. Может быть вы подумали, что можно прижать такой кристалл какой-нибудь увесистой болванкой и всю жизнь получать из него энергию? Как бы не так! Кстати, радиоэлемент пьезоизлучатель тоже относится к пьезоэлектрикам, и из него можно получить ЭДС. Ниже можно рассмотреть этот случай на видео. Светодиод, подпаянный к пьезоизлучателю, зажигается при ударе самого пьезоизлучателя.

Не так давно смотрел фильм по National Geographic. Там целые пьезоэлектрические плиты устанавливали на дороге. По ним ходили люди и вырабатывали электрическую энергию, сами того не подозревая). Кстати, очень халявная, чистая и возобновляемая энергия.  Ладно, что-то отвлекся… Так вот, кристаллы кварца тоже обладают пьезоэффектом и способны также вырабатывать ЭДС или деформироваться (изгибаться, изменять форму) под воздействием электрического тока.

[quads id=1]

Кварцевый резонатор


Что представляет из себя кварцевый резонатор

В настоящее время выявлены множество видов кристаллических веществ, но в электронике больше всего используют именно минералы кварца, так как он помимо того, что является пьезоэлетриком, так еще и обладает хорошей механической прочностью.

Резонатор – (от лат. resono –  звучу в ответ, откликаюсь) – это система, которая способна совершать колебания с максимальной амплитудой, то есть резонировать, при воздействии внешней силы определенной частоты и формы. Получается, кварцевый резонатор в электронике, а в народе просто “кварц”, – это радиоэлемент, который

способен резонировать, если на него подать переменный ток определенной частоты и формы.

Кварцевые резонаторы выглядят примерно так.

виды кварцевых резонаторов

Кварц является диэлектриком. А что будет если тонкий диэлектрик разместить между двумя металлическими пластинами? Получится конденсатор! Конденсатор получается очень маленькой емкости, так что замерить его емкость вряд ли получится. Зато не стали мудрить со схемотехническим обозначением кварца, и на схемах его показывают как прямоугольный кусочек кристалла, заключенный между двумя пластинками конденсатора.

обозначение на схеме кварцевого резонатора

Разобрав кварцевый резонатор, мы можем увидеть воочию сам кристалл кварца. Давайте вскроем кварц советского производства вот в таком корпусе.

Здесь мы видим прозрачный кристалл кварца, размещенный между двумя металлическими пластинками, к которым подпаяны выводы.

что внутри кварцевого резонатора

В маленьких кварцах типа этих

кварцевый резонатор

используются тонкие прямоугольные пластинки кварца. Физический размер и толщина кварцевой пластинки внутри кварцевого резонатора строго должна соблюдаться, так как именно ее габаритные размеры влияют на основную частоту колебаний. Здесь правило такое: чем больше толщина пластинки, тем ниже рабочая частота кварца. Поэтому, самые высокие частоты, на которые делают кварцы, составляет не более 50 МГц, так как пластинка получается очень тонкая, что создает трудности при ее изготовлении. Да и держать ее как-то надо в корпусе, не поломав. По идее, можно выжать из кварца частоту и до 200 МГц, но работать такой кварц будет на

обертоне.

Обертоны кварцевого резонатора


Обертоны, или как еще их называют, моды или гармоники – это кратные частоты, выше основной частоты кварца. С помощью 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 проблематично.

Пример: возьмем кварц с частотой в 10 Мегагерц. Тогда мы можем возбудить его на обертонах в 30 Мегагерц (третий обертон), в 50 Мегагерц (пятый обертон), в 70 Мегагерц (седьмой обертон) и максимум в 90 Мегагерц (девятый обертон).

Чтобы хоть как-то понять, что такое обертоны, для примера послушайте основную частоту 110 Герц и ее обертоны.

Схема, которая возбуждает кварц на обертонах, сложная и не очень надежная, так как во-первых, надо “давить” главную частоту кварца и выделять обертон, а во-вторых, кварц может возбудиться в режиме случайных колебаний. На практике все-таки делают схемы с умножением главной частоты кварца, что намного проще и надежнее. Здесь также есть еще одно правило: если частота маркируется в целых числах в Килогерцах – это работа на основной гармонике, а если в Мегагерцах через запятую – это обертонная гармоника. Например: РГ-05-18000кГц – резонатор для работы на основной частоте, а РГ-05-27,465МГц – для работы на 3-ем обертоне.

Последовательный и параллельный резонанс кварца

Очень много мифов ходит по интернету именно о кварцевом резонаторе. Самый популярный миф гласит так: если подать постоянное напряжение на кварцевый резонатор, он будет выдавать переменное напряжение с частотой, которая на нем указана. Насчет “частоты, указанной на нем”, я, может быть, соглашусь, но насчет постоянного напряжения – увы. Кристалл кварца просто сожмется или разожмется). Некоторые вообще до сих пор думают, что кварц сам по себе выдает переменный ток ). Ага, прям вечный двигатель).

Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора, надо рассмотреть его эквивалентную схему:

эквивалентная схема кварцевого резонатора

С – это собственно емкость между обкладками конденсатора. То есть если убрать кристалл кварца, то останутся две пластины и их выводы. Именно они и обладают этой емкостью.

С1 – это эквивалетная емкость самого кристалла. Ее значение несколько фемтоФарад. Фемто – это 10

-15 !

L1 – это эквивалентная индуктивность кристалла.

R1 – динамическое сопротивление, при работе кварца может достигать от нескольких Ом и до нескольких КОм

Можно заметить, что С1, L1 и R1 образуют последовательный колебательный контур, который обладает своей резонансной частотой.

последовательный колебательный контур

Резонансная частота такого контура вычисляется по формуле

формула последовательного резонанса кварцевого резонатора

 

Но все бы хорошо, но как видите, есть еще в эквивалентной схеме кварцевого резонатора один увесистый конденсатор С, который портит всю малину.

Вся эта схема превращается в сложный параллельный колебательный контур. Резонансная частота такого контура уже будет определяться формулой

формула параллельного резонанса кварцевого резонатора

Поэтому, запомните: каждый кварцевый резонатор может возбуждаться на двух резонансных частотах. На частоте последовательного резонанса и на частоте параллельного резонанса. Если мы видим на кварце вот такую надпись

частота кварцевого резонатора

это говорит нам о том, что частота последовательного резонанса для этого кварцевого генератора составляет 8 МГц. Кварцевые резонаторы в электронике работают именно на частоте последовательного резонанса. На своей практике не припомню, чтобы кто-то возбуждал кварц для работы на частоте параллельного резонанса.

Часовой кварцевый резонатор


Чаще всего часовой кварц выглядит вот так.

“Что еще за часовой кварц?” – спросите вы.  Часовой кварц – это кварц с частотой в 32 768 Герц. Почему на нем такая странная частота? Дело все в том, что 32 768 это и есть 215. Такой кварц работает в паре с 15-разрядной микросхемой-счетчиком. Это наша микросхема К176ИЕ5.

Принцип работы этой микросхемы такой: после того, как она сосчитает 32 768 импульсов, на одной из ножек она выдает импульс. Этот импульс на ножке  с кварцевым резонатором на 32 768 Герц появляется ровно один раз в секунду. А как вы помните,  колебание один раз в секунду – это и есть 1 Герц. То есть на этой ножке импульс будет выдаваться с частотой в 1 Герц. А раз это так, то почему бы не использовать это в часах? Отсюда и пошло название –

часовой кварц.

В настоящее время в наручных часах и других мобильных гаджетах этот счетчик и кварцевый резонатор встроены в одну микросхему и обеспечивают не только счет секунд, но и целый ряд других функций, типа будильника, календаря и тд. Такие микросхемы называется RTC (Real Time Clock) или в переводе с буржуйского Часы Реального Времени.

 

Кварцевый генератор

Что такое генератор? Генератор – это по сути устройство, которое преобразует один вид энергии в другой. В электронике очень часто можно услышать словосочетание  “генератор электрической энергии, генератор частоты, генератор функций ” и тд.

Кварцевый генератор представляет из себя генератор частоты и имеет в своем составе кварцевый резонатор. В основном  кварцевые генераторы бывают двух видов:

те, которые могут выдавать синусоидальный сигнал

и те, которые выдают прямоугольный сигнал, который чаще всего используется в цифровой электронике.

 Схема Пирса


Для того, чтобы возбудить кварц на частоте резонанса, нам надо собрать схему. Самая простая схема для возбуждения кварца – это классический генератор Пирса, который состоит всего лишь из одного полевого транзистора и небольшой обвязки из четырех радиоэлементов:

схема пирса для кварцевого резонатора

Пару слов о том как работает схема. В схеме  есть положительная обратная связь и в ней начинают возникать автоколебания. Но что такое положительная обратная связь?

В школе всем вам ставили прививки на реакцию Манту, чтобы определить, если у вас тубик или нет. Через некоторое время приходили медсестры и линейкой замеряли вашу реакцию кожи на эту прививку

Когда ставили эту прививку, нельзя было чесать место укола. Но мне, тогда еще салаге, было по барабану. Как только я начинал тихонько чесать место укола, мне хотелось чесать еще больше)) И вот скорость руки, которая чесала прививку, у меня замерла на каком-то пике, потому что совершать колебания рукой у меня максимум получалось с частотой Герц  в 15.  Прививка набухала на пол руки))  И даже  один раз меня водили сдавать кровь в подозрении на туберкулез, но как оказалось, не нашли. Оно и неудивительно ;-).

Так что это я вам тут рассказываю хохмы из жизни? Дело в том, что эта чесотка прививки самая что ни на есть положительная обратная связь. То есть пока я ее не трогал, чесать не хотелось. Но как только тихонько почесал, стало чесаться больше и я стал чесать больше, и чесаться стало еще больше и тд.  Если бы на мою руку не было физический ограничений, то наверняка, место прививки уже бы стерлось до мяса. Но я мог махать рукой только с какой-то максимальной частотой. Так вот, такой же принцип и у кварцевого генератора ;-). Чуть подал импульс, и он начинает разгоняться и уже останавливается только на частоте параллельного резонанса ;-). Скажем так, “физическое ограничение”.

Первым делом нам надо подобрать катушку индуктивности. Я взял тороидальный сердечник и намотал из провода МГТФ несколько витков

тороидальная катушка индуктивности

Весь процесс контролировал с помощью LC-метра, добиваясь номинала, как на схеме – 2,5 мГн. Если не доставало, прибавлял витки, если перебарщивал номинал, то убавлял. В результате добился  вот такой индуктивности.

измерение индуктивности

Транзистора у меня в загашнике не нашлось, и в местном радиомагазине его тоже не было. Поэтому, пришлось заказывать на Али. Кому интересно, брал здесь.

Его правильное название: транзистор полевой с каналом N типа.

транзистор 2n5485Распиновка слева-направо: Сток – Исток – Затвор

Ну а дальше дело за малым. Собираем схемку:

Небольшое лирическое отступление.

Как вы видите, я пытался максимально сократить связи между радиоэлементами. Дело все в том, что все радиоэлементы имеют свои паразитные параметры. Чем длиннее их выводы, а также провода, соединяющие эти радиоэлементы в схеме, тем хуже будет работать схема, а то и вовсе “не зафурычит”. Да и вообще, схемы с кварцевым резонатором на печатных платах трассируют не просто так от балды. Здесь есть свои тонкие нюансы. Мельчайшие паразитные параметры могут испоганить весь сигнал на выходе такого генератора.

Итак, кварцевый генератор мы собрали, напряжение подали, осталось только снять сигнал с выхода нашего самопального генератора. За дело берется цифровой осциллограф OWON SDS6062

Первым  делом я взял кварц на самую большую частоту, которая у меня есть: 32 768 Мегагерц. Не путайте его с часовым кварцем (о нем пойдет речь ниже).

Не, ну а что вы хотели? Хотели увидеть идеальную синусоиду? Не тут-то было. Сказались паразитные параметры плохо собранной схемы и монтажа.

Внизу в левом углу осциллограф нам показывает частоту:

Как вы видите 32,77 Мегагерц.  Главное, что наш кварц живой и схемка работает!

Давайте возьмем кварц с частотой 27 МГц.

Частоту тоже более-менее показал верно.

 

Ну и аналогично проверяем все остальные кварцы, которые у меня есть.

[quads id=1]

Вот осциллограмма  кварца на 16 МГц.

Осциллограф показал частоту ровно 16 МГц.

 

Здесь поставил кварц на 6 МГц.

Ровно 6 МГц!

На 4 МГц.

Все ОК.

Ну и возьмем еще советский на 1 Мегагерц. Вот так он выглядит.

Сверху написано 1000 КГц = 1МГц.

 

Смотрим осциллограмму.

Рабочий!

При большом желании можно даже замерять частоту китайским генератором-частотомером.

измерение частоты частотомером

400 Герц погрешность для старенького советского кварца не очень и много, хотя дело может быть даже не кварце, а в самом частотомере.

 

[quads id=1]

Схема Пирса для прямоугольного сигнала

Итак, вернемся к схеме Пирса. Предыдущая схема Пирса генерирует синусоидальный сигнал

Но также есть видоизмененная схема Пирса для прямоугольного сигнала

А вот и она:

схема Пирса для меандра

Номиналы некоторых радиоэлементов можно менять в достаточно широком диапазоне. Например, конденсаторы С1 и С2 могут быть в диапазоне от 10 и до 100 пФ. Тут правило такое: чем меньше частота кварца, тем меньше должна быть емкость конденсатора. Для часовых кварцев конденсаторы можно поставить номиналом в 15-18 пФ. Если кварц с частотой от 1 до 10 Мегагерц, то можно поставить 22-56 пФ. Если не хотите заморачиваться, то просто поставьте конденсаторы емкостью в 22 пФ. Точно не прогадаете.

Также небольшая фишка на заметку: меняя значение конденсатора С1 можно настраивать частоту резонанса в очень тонких пределах.

Резистор R1 можно менять от 1 и до 20 МОм, а R2 от нуля и до 100 кОм. Тут тоже есть правило: чем меньше частота кварца, тем больше значение этих резисторов и наоборот.

Максимальная частота кварца, которую можно вставить в схему, зависит от быстродействия инвертора КМОП. Я взял микросхему 74HC04. Она не слишком быстродействующая. Состоит из шести инверторов, но использовать  мы будем только один инвертор.

 

Вот ее распиновка:

Подключив к этой схеме часовой кварц, осциллограф выдал вот такую осциллограмму:

Ну как всегда всю картинку испортили паразитные параметры монтажа. Но, обратите внимание на частоту. Осциллограф почти верно ее показал с небольшой погрешностью. Ну оно и понятно, так как главная функция осциллографа отображать сигнал, а не считать частоту)

Кстати, вам эта часть схемы ничего не напоминает?

Не эта ли часть схемы используется для тактирования микроконтроллеров?

Она самая! Просто недостающие элементы схемы уже есть в самом МК 😉

Схема Колпитца

Это также довольно распространенная и знаменитая схема.

схема Колпитца

За основу взять схема усилителя с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Здесь все как обычно. Резисторы R1 и R2 устанавливают рабочую точку для транзистора. Резистор RE устанавливает уровень выходного напряжения. Транзистор NPN 2N4265 может работать на частотах до 100 МГц, поэтому его и взяли. Эта схема будет работать с кварцами в диапазоне от 1 и до 5 МГц.

Готовые модули кварцевых генераторов


В настоящее время кварцевые генераторы выпускают в виде законченных модулей. Некоторые фирмы, производящие такие генераторы,  достигают частотной стабильности  до 10-11 от номинала! Выглядят готовые модули примерно так:

виды кварцевых генераторов

или так

Такие модули кварцевых генераторов в основном имеют 4 вывода.  Вот распиновка квадратного кварцевого генератора:

распиновка кварцевого генератора

Давайте проверим один из них. На нем написано 1 МГц

кварцевый генератор на 1 МГц

Вот его вид сзади.

Подавая постоянное напряжение от 3,3 и до 5 Вольт плюсом на 8, а минусом на 4, с выхода 5  я получил чистый ровный красивый меандр с частотой, написанной на кварцевом генераторе, то бишь 1 Мегагерц, с очень небольшими выбросами.

сигнал с кварцевого генератора

Ну прям можно залюбоваться).

Да и китайский генератор-частотомер показал точную частоту.

 

Отсюда делаем вывод: лучше купить готовый кварцевый генератор, чем самому убивать кучу времени и нервов на наладку схемы Пирса или Колпитца. Схема Пирса будет пригодна для проверки резонаторов и для ваших различных самоделок, хотя на Алиэкспрессе встречал готовый проверяльщик кварцевых резонаторов, способный замерять частоту кварцев от 1 и до 50 МГц. Посмотреть можете по этой ссылке.


Плюсы кварцевых генераторов

Плюсы кварцевых генераторов частоты – это высокая частотная стабильность. В основном это 10-5 – 10-6 от номинала или, как часто говорят,  ppm (от англ. parts per million) — частей на миллион, то есть одна миллионная или числом 10-6. Отклонение частоты  в ту или иную сторону в кварцевом генераторе в основном связано с изменением температуры окружающей среды, а также со старением кварца. При старении кварца, частота кварцевого генератора стает чуточку меньше с каждым годом примерно на 1,8х10-7 от номинала. Если, скажем, я взял кварц с частотой в 10 Мегагерц ( 10 000 000 Герц) и поставил его в схему, то за год его частота уйдет примерно на 2 Герца в минус 😉 Думаю, вполне терпимо.

Большой выбор кварцевых резонаторов тут.

Смотрите подробное видео про кварцевый резонатор:

Кварцевые резонаторы, что это такое и где они применяются?

Смотрите также обзоры и статьи:

Кварцевые резонаторы, что это такое и где они применяются?

Наверняка каждый радиолюбитель слышал о таком радиокомпоненте, который называют «кварцем». Что же это за компонент? У многих «кварц» ассоциируется с минералом природного происхождения, но ведь никто не вставляет в устройство целый кварцевый кристалл. Так что же это а компонент, как он устроен и где применяется?

Что такое кварц и как он работает?

Кварц — жаргонное название радиокомпонента, который называется кварцевым резонатором. Основа такого радиокомпонента — кварцевая (или керамическая) пластина, на которой находится два электрода. Под действием тока пластина начинает деформироваться, порождая вибрации определенной частоты. Частота и тип вибрации зависит о типа кристалла (его размеров, формы, толщины), количества электродов, нанесенных на кристалл, а также напряжения и силы тока, которые на него поступают.

Кстати, кварцевые резонаторы способны генерировать противо-ЭДС, что делает их схожими с катушками индуктивности, которые работают в колебательном контуре. Если же частота колебаний подаваемого напряжения равна частоте механических колебаний резонатора, затраты энергии на поддержание работы резонатора значительно снизятся.

Применение кварцевых резонаторов

Если разобрать простые «кварцевые» часы, Вы наверняка найдете в них… кварцевый резонатор. Кварцевые резонаторы с частотой 32768 Гц установлены во всех кварцевых часах. Они выравнивают частоту колебательного контура, которая в свою очередь поступает на двоичный счетчик, а он передает импульсы шаговому двигателю.

Также кварцевые резонаторы являются составным компонентом генераторов тактовых импульсов, которые в свою очередь широко применяются в современной цифровой технике. Преимущества и недостатки перед аналогичными устройствами:
  • Кварцы могут иметь очень маленький размер, вплоть до долей миллиметра. Это позволяет применять их даже в самых миниатюрных устройствах и современных гаджетах.
  • Современные кварцевые резонаторы имеют невероятно большой срок службы.
  • Также, кварцевые резонаторы имеют высокую температурную стабильность. Даже при высоком нагреве при работе устройства, они будут нормально функционировать.
  • С помощью кварцевых резонаторов можно строить эффективные и недорогие каскадные фильтры, которые совершенно не требуют ручной настройки.
  • Технология изготовления кварцевых резонаторов весьма простая и эффективная.
Помимо такого огромного набора преимуществ, у кварцевых резонаторов есть и недостатки. Точнее всего один:
  • Весьма узкий диапазон подстройки частоты внешними устройствами. Для создания многодиапазонных систем приходиться собирать синтезаторы частоты различной степени сложности.
Типы кварцевых генераторов Кварцевые генераторы различаются по типу корпуса, а также по частоте, которую они способны выдавать. Основных типов корпуса не так много:
  1. HC-49S — прямоугольные низкие кварцы.
  2. HC-49U — прямоугольные, как и предыдущие, но более высокие.
  3. HC-49SM — могут иметь форму как и две предыдущие группы, но предназначены для поверхностного монтажа.
  4. DIP — прямоугольный корпус с четырьмя выводами.
  5. Цилиндры — просто цилиндрический корпус с двумя выводами. Такие кварцевые резонаторы могут иметь самый разный размер.

Опубликовано: 2020-04-24 Обновлено: 2020-04-24

ПОДХОДЯЩИЕ ТОВАРЫ

Поделиться в соцсетях

Кварцевый резонатор.

Принцип работы и свойства кварцевого резонатора

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 ёмкости 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 ёмкости). Он показывает насколько измениться ёмкость 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 надёжный 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 определённой 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 радиоприёмниках.

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.


Кристалл кварца

Химически кварц очень устойчив и не растворяется ни в одной из кислот, за исключением плавиковой. Также кварц очень твёрдый. На шкале твёрдости он занимает седьмое место из десяти.

Чтобы изготовить кварцевую пластинку берётся кристалл кварца и из него под определённым 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 жёстких проволочных контактов закрепляют в кварцедержателе. Всю эту конструкцию помещают в герметичный корпус.

Кварцевый резонатор является электромеханической колебательной системой. Как известно, любая колебательная система обладает своей резонансной частотой. У кварцевого резонатора также есть своя номинальная резонансная частота. Если приложить к кварцевой пластине переменное напряжение, которое совпадает с резонансной частотой самой кварцевой пластины, то происходит резонанс частот и амплитуда колебаний резко возрастает.

При резонансе электрическое сопротивление резонатора уменьшается. В результате получается эквивалент последовательной колебательной системы. Поскольку потери энергии в кварцевом резонаторе очень малы, то он фактически представляет собой электрический колебательный контур с очень большой добротностью.

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора изображена на рисунке.


Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора

Здесь С0 – это постоянная (статическая) ёмкость образующаяся за счёт металлических пластин-электродов и держателя. Последовательно соединённые индуктивность L1,конденсатор С1 и активное сопротивление Rакт. отражают электромеханические свойства кварцевой пластинки. Как видим, если отбросить ёмкость 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, всё 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.

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?

Многие начинающие радиолюбители задаются вопросом: “Как проверить кварцевый резонатор?”

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.

Более подробную информацию о кварцевых резонаторах вы узнаете из книги, которую найдёте здесь.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Кварцевые Резонаторы | Farnell Россия

X1E0000210832 TSX-3225 24MHZ 18PF

2723245

Кристалл, 24 МГц, SMD, 3.2мм x 2.5мм, 30 млн⁻¹, 18 пФ, 30 млн⁻¹, TSX-3225 Series

EPSON

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		24МГц SMD, 3.2мм x 2.5мм 30млн⁻¹ 18пФ 30млн⁻¹ TSX-3225 Series -40°C 85°C
X1E0000210503 TSX-3225 16MHZ 9PF

2723244

Кристалл, 16 МГц, SMD, 3.2мм x 2.5мм, 10 млн⁻¹, 9 пФ, 10 млн⁻¹, TSX-3225 Series

EPSON

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		16МГц SMD, 3.2мм x 2.5мм 10млн⁻¹ 9пФ 10млн⁻¹ TSX-3225 Series -40°C 85°C
MCSJK-7U-25.00-12-30-60-B-30

2853969

Кристалл, 25 МГц, SMD, 3.2мм x 2.5мм, 30 млн⁻¹, 12 пФ, 30 млн⁻¹

MULTICOMP PRO

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		25МГц SMD, 3.2мм x 2.5мм 30млн⁻¹ 12пФ 30млн⁻¹ — -20°C 70°C
9HT10D-32.768KEZF-T

2819306

Кристалл, 32.768 кГц, SMD, 3.2мм x 1.5мм, 12.5 пФ, 10 млн⁻¹, 9HT10 Series

TXC

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		32.768кГц SMD, 3.2мм x 1.5мм — 12.5пФ 10млн⁻¹ 9HT10 Series -40°C 85°C
9HT10-32.768KEZC-T

2819305

Кристалл, 32.768 кГц, SMD, 3.2мм x 1.5мм, 9 пФ, 10 млн⁻¹, 9HT10 Series

TXC

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		32.768кГц SMD, 3.2мм x 1.5мм — 9пФ 10млн⁻¹ 9HT10 Series -40°C 85°C
ABS07AIG-32.768KHZ-7-D-T

2849461

Кристалл, AEC-Q200, 32.768 кГц, SMD, 3.2мм x 1.5мм, 7 пФ, 20 млн⁻¹, ABS07AIG Series

ABRACON

 Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		32.768кГц SMD, 3.2мм x 1.5мм — 7пФ 20млн⁻¹ ABS07AIG Series -40°C 85°C
Q24FA20H00558 FA-20H 16MHZ 6PF

2723235

Кристалл, 16 МГц, SMD, 2.5мм x 2мм, 10 млн⁻¹, 6 пФ, 10 млн⁻¹, FA-20H Series

EPSON

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		16МГц SMD, 2.5мм x 2мм 10млн⁻¹ 6пФ 10млн⁻¹ FA-20H Series -40°C 85°C
9HT10-32.768KDZY-T

2819304

Кристалл, 32.768 кГц, SMD, 3.2мм x 1.5мм, 12.5 пФ, 20 млн⁻¹, 9HT10 Series

TXC

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		32.768кГц SMD, 3.2мм x 1.5мм — 12.5пФ 20млн⁻¹ 9HT10 Series -40°C 85°C
MCSJK-7E-16.00-8-10-100-B-10

2853866

Кристалл, 16 МГц, SMD, 2.5мм x 2мм, 10 млн⁻¹, 8 пФ, 10 млн⁻¹

MULTICOMP PRO

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		16МГц SMD, 2.5мм x 2мм 10млн⁻¹ 8пФ 10млн⁻¹ — -20°C 70°C
MCSJK-7U-12.00-10-10-80-B-10

2853914

Кристалл, 12 МГц, SMD, 3.2мм x 2.5мм, 10 млн⁻¹, 10 пФ, 10 млн⁻¹

MULTICOMP PRO

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		12МГц SMD, 3.2мм x 2.5мм 10млн⁻¹ 10пФ 10млн⁻¹ — -20°C 70°C
MCSJK-7I-25.00-18-30-60-B-30

2854077

Кристалл, 25 МГц, SMD, 5мм x 3.2мм, 30 млн⁻¹, 18 пФ, 30 млн⁻¹

MULTICOMP PRO

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		25МГц SMD, 5мм x 3.2мм 30млн⁻¹ 18пФ 30млн⁻¹ — -20°C 70°C
MCSJK-7U-16.00-10-10-80-B-10

2853934

Кристалл, 16 МГц, SMD, 3.2мм x 2.5мм, 10 млн⁻¹, 10 пФ, 10 млн⁻¹

MULTICOMP PRO

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		16МГц SMD, 3.2мм x 2.5мм 10млн⁻¹ 10пФ 10млн⁻¹ — -20°C 70°C
9HT7-32.768KDZF-T

2819319

Кристалл, 32.768 кГц, SMD, 6.9мм x 1.4мм, 12.5 пФ, 20 млн⁻¹, 9HT7 Series

TXC

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		32.768кГц SMD, 6.9мм x 1.4мм — 12.5пФ 20млн⁻¹ 9HT7 Series -40°C 85°C
Q22FA12800043 FA-128 32MHZ 8PF

2723221

Кристалл, 32 МГц, SMD, 2мм x 1.6мм, 20 млн⁻¹, 8 пФ, 10 млн⁻¹, FA-128 Series

EPSON

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		32МГц SMD, 2мм x 1.6мм 20млн⁻¹ 8пФ 10млн⁻¹ FA-128 Series -40°C 85°C
MCSJK-7U-12.00-12-30-80-B-30

2853917

Кристалл, 12 МГц, SMD, 3.2мм x 2.5мм, 30 млн⁻¹, 12 пФ, 30 млн⁻¹

MULTICOMP PRO

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		12МГц SMD, 3.2мм x 2.5мм 30млн⁻¹ 12пФ 30млн⁻¹ — -20°C 70°C
MCSJK-7U-12.00-12-10-80-B-10

2853916

Кристалл, 12 МГц, SMD, 3.2мм x 2.5мм, 10 млн⁻¹, 12 пФ, 10 млн⁻¹

MULTICOMP PRO

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		12МГц SMD, 3.2мм x 2.5мм 10млн⁻¹ 12пФ 10млн⁻¹ — -20°C 70°C
ABM10-166-12.000MHZ-T3

2849406

Кристалл, 12 МГц, SMD, 2.5мм x 2мм, 10 млн⁻¹, 8 пФ, 10 млн⁻¹, ABM10 Series

ABRACON

 Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		12МГц SMD, 2.5мм x 2мм 10млн⁻¹ 8пФ 10млн⁻¹ ABM10 Series -20°C 70°C
XRCHA20M000F0A01R0

2909961

Кристалл, 20 МГц, SMD, 2.5мм x 2мм, 100 млн⁻¹, 8 пФ, 100 млн⁻¹, XRCHA Series

MURATA

 Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		20МГц SMD, 2.5мм x 2мм 100млн⁻¹ 8пФ 100млн⁻¹ XRCHA Series -40°C 125°C
HC49US-FF3F18-8.000MHZ

3264337

Кристалл, 8 МГц, Сквозное Отверстие, 11мм x 4.7мм, 30 млн⁻¹, 18 пФ, 30 млн⁻¹, HC49US Series

ILSI AMERICA

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		8МГц Сквозное Отверстие, 11мм x 4.7мм 30млн⁻¹ 18пФ 30млн⁻¹ HC49US Series -20°C 70°C
ABM3AIG-12.000MHZ-8-K1Z-T

3501633

Кристалл, 12 МГц, SMD, 5мм x 3.2мм, 50 млн⁻¹, 8 пФ, 10 млн⁻¹, ABM3AIG Series

ABRACON

 Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		12МГц SMD, 5мм x 3.2мм 50млн⁻¹ 8пФ 10млн⁻¹ ABM3AIG Series -40°C 125°C
LFXTAL003071

9713786

Кристалл, 4 МГц, SMD, 11.4мм x 4.9мм, 50 млн⁻¹, 16 пФ, 30 млн⁻¹, Серия HC-49/4HSMX

IQD FREQUENCY PRODUCTS

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		4МГц SMD, 11.4мм x 4.9мм 50млн⁻¹ 16пФ 30млн⁻¹ Серия HC-49/4HSMX -10°C 60°C
HC49S-16-30-50-70-30-ATF

1667003

Кристалл, 16 МГц, Сквозное Отверстие, 10.9мм x 4.65мм, 50 млн⁻¹, 30 пФ, 30 млн⁻¹, Серия HC49S

MULTICOMP PRO

Штука

16МГц Сквозное Отверстие, 10.9мм x 4.65мм 50млн⁻¹ 30пФ 30млн⁻¹ Серия HC49S -20°C 70°C
LFXTAL003044

9712704

Кристалл, 2.4576 МГц, Сквозное Отверстие, 11мм x 4.65мм, 50 млн⁻¹, 30 пФ, 20 млн⁻¹, Серия HC-49

IQD FREQUENCY PRODUCTS

Штука

2.4576МГц Сквозное Отверстие, 11мм x 4.65мм 50млн⁻¹ 30пФ 20млн⁻¹ Серия HC-49 -10°C 60°C
14.7456MHZ 49USMX/30/50/40/18PF/ATF

1640899

Кристалл, 14.7456 МГц, SMD, 12.4мм x 4.5мм, 50 млн⁻¹, 18 пФ, 30 млн⁻¹, Серия 49USMX

EUROQUARTZ

Штука

14.7456МГц SMD, 12.4мм x 4.5мм 50млн⁻¹ 18пФ 30млн⁻¹ Серия 49USMX -40°C 85°C
9C-8.000MEEJ-T

1842347

Кристалл, 8 МГц, SMD, 11.4мм x 4.35мм, 10 млн⁻¹, 18 пФ, 10 млн⁻¹, Серия 9C

TXC

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки 		8МГц SMD, 11.4мм x 4.35мм 10млн⁻¹ 18пФ 10млн⁻¹ Серия 9C -40°C 85°C

кварцевые резонаторы — ANION.RU

цена                 

1: 48 р.

50: 43.5 р.

цена                 

1: 37.5 р.

цена                 

1: 225 р.

цена                 

1: 69 р.

12: 61.5 р.

120: 52.5 р.

ВЫГОДНАЯ ЦЕНА

цена                 

1: 46.5 р.

12: 37.5 р.

120: 29.1 р.

Ультракомпактный кварцевый резонатор Model 416 CTS Corporation

Резонатор Model 416 упакован в ультракомпактный герметичный корпус, обеспечивающий великолепную точность и долговременную стабильность частотных характеристик. Размер корпуса всего лишь 1,6 х 1,2 мм с четырьмя контактными площадками.

Малогабаритный форм-фактор новинки идеально подходит для применений с жёстко ограниченными размерами, таких как носимая электроника, микропроцессоры, Bluetooth и другие компактные изделия.

Резонатор Model 416 полностью соответствует директиве RoHS.

 

Технические характеристики Model 416:

PARAMETER

VALUE

Frequency Range

24 MHz to 80 MHz

Operating Mode

Fundamental

Crystal Cut

AT-Cut

Frequency Tolerance @ +25°C

±20 ppm, Standard

Frequency Stability Tolerance

[Operating Temperature Range, Referenced to 25°C Reading]

±20 ppm, Standard

Operating Temperature Ranges

-10°C to +60°C

-20°C to +70°C

-40°C to +85°C

 

Equivalent Series Resistance [Maximum]24 MHz — < 40 MHz200 Ohms
40 MHz — 80 MHz100 Ohms
Load CapacitanceSee Ordering Information
Shunt Capacitance (C0)3.0 pF Typical, 5.0 pF Maximum
Drive Level10 µW Typ., 100 µW Max.
Aging @ +25°C±3 ppm/yr Typical
Insulation Resistance500M Ohms @ DC 100V
Storage Temperature Range-40°C to +90°C

Каталог продукции — Пассивные элементы — Кварцевые резонаторы, генераторы — Резонаторы кварцевые

Частота, МГц

 0,432  0,44  1  1,8432  2  2,4576  3  3,2768  3,579545  3,6864  4  4,096  4,1943  4,2336  4,433619  4,5  4,608  4,9152  5  5,5  6  6,144  6,4  6,5536  7  7,05  7,15909  7,3728  7,68  8  8,192  8,867238  9  9,216  9,8304  10  10,24  10,7  11  11,0592  12  12,288  12,8  13  13,5  13,56  14  14,089  14,31818  14,7456  15  16  16,384  17,7344  18  18,432  19,6608  20  21,245  22,1184  24  24,576  25  25,9175  26,601  26,8  27  27,648  28,636  30  32  40  48  49,86

Кварцево-кристаллические резонаторы »Электроника

Кварцевые кварцевые резонаторы иногда называют xtals, и как резонаторы они обеспечивают чрезвычайно высокие уровни добротности для генераторов и фильтров и широко используются во многих приложениях для проектирования радиочастотных схем.

Учебное пособие по кристаллам кварца, 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

Резонаторы на кварцевом кристалле используются для создания резонансных элементов с очень высокой добротностью во многих электронных конструкциях и, в частности, во многих конструкциях радиочастотных схем в генераторах и фильтрах.Часто в схемотехнике эти электронные компоненты могут упоминаться как «Xtals», а ссылки на схемотехнические конструкции для них могут быть даны как xtal1 и т. Д.

Кристаллы кварца могут быть дешевыми в производстве, даже несмотря на то, что они обладают исключительной производительностью, и могут использоваться для всего, от электронных схем для микропроцессорных тактовых генераторов до высокопроизводительных фильтров, высокостабильных генераторов, управляемых печью, кварцевых генераторов с температурной компенсацией и многих других общих и радиочастотных схем. .

Как следует из названия, кварцевые резонаторы изготавливаются из кварца, который является естественной формой кремния. Однако большая часть кварца, используемого в электронной промышленности, производится синтетически.

Кварцевые резонаторы доступны во многих размерах и форматах, чтобы удовлетворить требованиям большинства приложений. От небольших устройств для поверхностного монтажа до более крупных кристаллов, монтируемых в сквозные отверстия, а также для розеток, существует множество размеров и форматов этих электронных компонентов.

Кварцевый резонатор с проволочными выводами HC49

Основы кварцевого резонатора

Кварцевый резонатор основан на замечательных свойствах кварца. При помещении в электронную схему кристалл кварца действует как настроенная схема. Однако у него исключительно высокий показатель Q.

.

Обычные настроенные схемы LC могут показывать значения в несколько сотен, если они тщательно спроектированы и сконструированы, но кристаллы кварца показывают значения до 100 000.

Помимо Q, кристаллическая технология также имеет ряд других преимуществ.Они очень устойчивы к температуре и времени. Фактически, для большинства кристаллов эти цифры указаны, и они обычно могут составлять ± 5 ppm (частей на миллион) в год для старения и ± 30 ppm в диапазоне температур от 0 до 60 ° C.

Кристалл природного кварца

В процессе работы кристалл кварца использует пьезоэлектрический эффект для преобразования электрических сигналов в механические колебания. Это заставляет кристалл вибрировать, и механические резонансы кристалла затем воздействуют на механические колебания.Затем пьезоэлектрический эффект возвращается обратно в электрическую область, и сигналы преобразуются обратно под воздействием механических резонансов.

Общий эффект заключается в том, что кристалл кварца связывает механические резонансы с очень высокой добротностью с электрической областью, что позволяет очень стабильным и высокодобротным резонансам влиять на электрические сигналы.


Обозначение цепи кристалла кварца

Обозначение схемы кварцевого резонатора, используемого в схемах проектирования электроники, простое.Символ кристалла кварца показывает две пластины по обе стороны от основного кварцевого элемента. Он состоит из двух линий, одна вверху, а другая внизу с центральным прямоугольником.

Во многих отношениях символ схемы хорошо отображает сам кристалл, особенно потому, что первые кварцевые резонаторы состояли из кварцевой пластины, зажатой между двумя проводящими пластинами.

Обозначение схемы для кварцевого резонатора, xtal

В отличие от многих других обозначений схем, существует очень мало вариантов обозначения схемы с кварцевым кристаллом, и, соответственно, он широко известен.

Принцип работы кварцевых резонаторов

Принцип действия кристалла кварца основан на том факте, что кварц проявляет пьезоэлектрический эффект. Это означает, что когда напряжение создается поперек кристалла, видна электродвижущая сила или электрический потенциал. Верно и обратное, тогда когда на кристалл подается потенциал, он слегка отклоняется.

Это означает, что пьезоэлектрический эффект позволяет соединить механическую и электрическую области.

С точки зрения работы кристалла кварца в качестве резонатора с высокой добротностью, кристалл кварца может иметь электрический сигнал, такой как сигнал в радиоприемнике, помещенный поперек него. Это превращается в механическую вибрацию.

Механические свойства кристалла кварца действуют как резонатор с очень высокой добротностью. Эффект от этого затем преобразуется обратно в электрическую область. Общий результат состоит в том, что электрической цепи кажется, что присутствует электрический фильтр с очень высокой добротностью.

В любой конструкции электронной схемы полезно видеть эквивалентную схему кристалла, чтобы электронная конструкция могла быть выполнена правильно. Стандартная эквивалентная схема для кварцевого резонатора приведена ниже.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Кварцевый кристалл использует

Кристаллы кварца используются в двух основных формах применения: как резонансный элемент в генераторах и в фильтрах. В обоих приложениях очень высокая добротность кварцевого резонатора позволяет достичь очень высоких уровней производительности, и именно поэтому они используются во многих общих схемах для недорогих тактовых генераторов, а также в более требовательных приложениях для проектирования радиочастотных схем.

Некоторые виды использования этих электронных компонентов вместе с их сокращениями описаны более подробно ниже:

  • Осцилляторы: Высокая добротность кварцевого кристалла означает, что используемые генераторы могут обеспечивать очень высокий уровень точности и стабильности. Существует несколько вариантов использования кварцевых резонаторов в электронной конструкции в зависимости от требований к характеристикам и ограничений по стоимости.
    • Кварцевый осциллятор — XO: Кварцевые резонаторы можно очень просто использовать в простой схеме генератора.Поскольку основные кварцевые резонаторы относительно недороги, они часто используются в качестве резонатора для приложений, где они, например, являются резонатором в тактовом генераторе микропроцессора. Кварцевый кварцевый резонатор, используемый в материнской плате ПК

      Обычно требования к точности этих генераторов не слишком высоки, и поэтому затраты можно свести к минимуму, используя кварцевый кристалл. При использовании в этих приложениях кристаллы кварца дешевле, чем многие другие решения, которые не работают так же хорошо.Очевидно, простые кварцевые генераторы также используются во многих других областях.

    • Кварцевый генератор, управляемый напряжением — VCXO: Для некоторых приложений может потребоваться небольшое изменение частоты генератора. VCXO или генератор Xtal, управляемый напряжением, относительно легко построить.

      Схемы просты и обычно включают использование переменного напряжения для управления варакторным диодом в кристаллической схеме.Изменение реактивного сопротивления варактора изменяет общую резонансную частоту кристалла и связанных с ним схем.

      Однако ввиду высокой добротности кристаллического резонатора возможны только относительно небольшие изменения частоты. Эти схемы могут быть построены или доступны как коммерческие модули.

      Подробнее о . . . . VCXO.

    • Кварцевый генератор с температурной компенсацией — TCXO: Одной из основных причин изменения частоты кварцевого генератора является изменение температуры.Там, где требуется более высокая стабильность частоты, чем может обеспечить стандартный генератор, можно использовать TCXO, Xtal Oscillator с температурной компенсацией. Как следует из названия, эта форма осциллятора применяет к осциллятору температурную компенсацию. Хотя они не обладают такими же характеристиками, как кварцевый генератор, управляемый печью, тем не менее, они способны обеспечить очень высокий уровень стабильности и производительности для многих схемотехнических решений.

      Подробнее о .. . . TCXO.
    • Кварцевый генератор, управляемый печью — OCXO: Там, где требуется очень высокий уровень стабильности частоты, лучшим вариантом является кварцевый генератор, управляемый печью. Эта форма кварцевого генератора, получившая название OCXO: Oven Controlled Crystal Oscillator, удерживает кристалл и связанные с ним схемы в «духовке» с контролируемой температурой. Он работает при температуре выше температуры окружающей среды и поддерживается при постоянной температуре, пока работает осциллятор.Таким образом сводятся к минимуму любые изменения, вызванные изменениями температуры. Подробнее о . . . . OCXOs.
  • Фильтры: Другое основное применение кварцевых резонаторов — фильтры. Здесь резонатор используется в цепи, которая используется для приема полезных сигналов и отклонения нежелательных. Очень высокие уровни добротности, достижимые при использовании кварца, означают, что эти фильтры обладают очень высокими характеристиками.

    Кварцевые фильтры могут состоять из одного кристалла, но более сложные фильтры, предлагающие гораздо более высокий уровень производительности, могут быть изготовлены с использованием шести или даже восьми кристаллов. Ввиду того факта, что в этих фильтрах используются опыт и передовая конструкция радиочастотных схем, они часто приобретаются в виде модулей фильтров, хотя многие из них производятся самими конечными производителями / разработчиками.

Кварцевый кристалл SMD

Кварцевый кристалл преимущества и недостатки

Технология

Кварцевый кристалл предлагает очень много преимуществ, но против этого есть и другие моменты, которые следует включить в уравнение при рассмотрении их использования:

Преимущества кварцевых резонаторов:

  • Резонатор с очень высокой добротностью: Добротность кристалла кварца очень высока.Это, в свою очередь, дает несколько преимуществ:
    • Очень стабильный сигнал при использовании в генераторе.
    • Низкий уровень фазового шума при использовании в генераторе.
    • При использовании в фильтре можно достичь очень высокого уровня селективности. Кристаллические фильтры способны обеспечить отличную производительность и являются одними из лучших вариантов для резких фильтров в различных приложениях.
  • Низкая стоимость: Базовые кристаллы доступны по очень разумной цене.Их использование часто может привести к более дешевым часам или другому источнику при использовании в качестве резонатора. Очевидно, что резонаторы на кристалле кварца с высокими техническими характеристиками стоят дороже.

Недостатки кварцевых резонаторов:

  • Размер: Резонансное поведение кристалла зависит от механических колебаний. В результате размер не может быть легко уменьшен, и они могут быть большими по сравнению с другими компонентами SMT. Тем не менее, кристаллы с новой технологией поверхностного монтажа теперь доступны в очень маленьких корпусах.
  • Пайка: Ввиду их производительности пайка должна выполняться с осторожностью, соблюдая максимальные температуры и время пайки.
  • Фиксированная частота: Хотя это также может быть преимуществом, кристалл имеет свои собственные резонансные частоты. После того, как они выбраны и изготовлены, их нельзя изменить, хотя можно немного «потянуть» частоту генератора.

Как и в любой технике, у этих электронных компонентов есть свои плюсы и минусы.Понимание этих проблем и преимуществ, которые они приносят, поможет наилучшим образом использовать их на этапе электронного проектирования.

Кристалл кварца SMD в корпусе HC49

Кристалл кварца и осцилляторы, временная шкала

С тех пор, как появились первые признаки пьезоэлектрического эффекта и действия кристаллов кварца, потребовалось много лет, чтобы их развитие добралось до той стадии, на которой оно находится сейчас.

Ранние исследования продемонстрировали этот эффект, и прошло несколько лет, прежде чем была разработана радиотехника и можно было продемонстрировать и затем усовершенствовать действие кварцевых резонаторов или кристаллов.

Заметка об истории и временной шкале кварцевого резонатора:

Кристаллы кварца стали неотъемлемой частью современной электроники, обеспечивая высокоэффективный резонатор по низкой цене. Эти компоненты разрабатывались на протяжении многих лет, и в их разработке участвовало множество людей и организаций.

Подробнее о История кристаллов кварца.

Как изготавливаются кварцевые резонаторы

Кварцевые резонаторы выпускаются в огромных количествах.Производственный процесс начинается с сырого кремния, который превращается в синтетический кварц, а затем из него изготавливаются отдельные кварцевые резонаторы. После изготовления основных кристаллов кварца их обрезают и затем инкапсулируют.

В некоторых областях производственного процесса кварцевого резонатора некоторые элементы имеют некоторое сходство с производством полупроводников, хотя производимые продукты сильно отличаются.

В процессе производства кристаллов кварца используются такие процессы, как травление, осаждение и т.п.


Спецификация кварцевых резонаторов

При выборе кварцевого резонатора для общей схемы или схемы ВЧ необходимо выбрать множество параметров. Многие из них относятся к работе кристалла и обычно не встречаются с другими электронными компонентами.

Обычно производителям требуется ряд параметров, часто изложенных в определенной форме, прежде чем они смогут произвести и поставить требуемый кристаллический элемент.

Решения о различных параметрах, которые должны быть выбраны, могут зависеть от других электронных компонентов в схеме или от общей электронной конструкции.

Понимание различных параметров, которые необходимо выбрать, и того, как они могут повлиять на конструкцию электроники и выбор других электронных компонентов, гарантирует принятие правильных решений.

Кварцевые резонаторы широко используются в электронной промышленности. Их можно использовать в кварцевых генераторах и кварцевых фильтрах, где они обеспечивают исключительно высокий уровень производительности.В дополнение к этому, недорогие элементы с более низкими допусками широко используются в кварцевых генераторах для тактовых частот микропроцессорных плат, где они используются в качестве дешевых резонаторных элементов. Независимо от того, как он используется, кварцевый резонатор обеспечивает исключительно высокий уровень производительности при затратах на его производство.

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

Кристаллы кварца и керамические резонаторы

Резонаторы на кристалле кварца и керамические резонаторы активируются и работают одинаково, поскольку оба они механически вибрируют, когда на каждый из них подается сигнал переменного тока.

Разница в том, что резонатор из кварцевого кристалла изготовлен из кристалла кварца, а керамический резонатор — из керамических компонентов.


Что такое кристалл кварца? Кристаллы кварца

могут «колебаться» в пределах желаемой частоты с небольшой мощностью, необходимой для того, чтобы поддерживать его в активном состоянии.Кристаллы могут иметь точную стабильность частоты, и по мере увеличения окружающего тепла кварцевый генератор может поддерживать стабильность частоты с минимальным изменением частоты с 10 PPM (частей на миллион или 0,001%) при температуре выше -20 ~ + 70 ° C. . Высокая стабильность делает кристалл подходящим для ZigBee / Bluetooth и других беспроводных приложений.

Кристаллические генераторы можно найти во всем, от телевизоров до детских игрушек с электрическими компонентами.

Что такое керамический резонатор?

Керамический резонатор работает аналогично кристаллу.Керамический резонатор использует частоту в пределах электрического компонента, но в отличие от кристалла, который имеет допуск по частоте 10 ~ 30 PPM, керамический резонатор имеет допуск по частоте 0,5% или 5000 PPM, который обычно используется в микропроцессорных приложениях, где абсолютная стабильность не важна. .

Вот простой пример, чтобы увидеть это в перспективе. Процентная разница аналогична олимпийской гонке. Миллисекунды могут быть разницей между золотой или серебряной медалями.Но с электронным компонентом разница более радикальная.

Кроме того, в кристаллах используется герметичный корпус, поэтому они всегда будут рекомендованы вместо керамических резонаторов, которые являются экологически изолированными, поэтому кристалл рекомендуется для широкого диапазона температур или суровых условий.

Рассмотрите кварцевый генератор ECSpressCON при разработке продукта

ECSpressCON считается самым надежным в мире настраиваемым кварцевым генератором с быстрым поворотом и быстрой доставкой.Эрик Слаттен, вице-президент ECS, Inc. International, подробно объясняет ECSpressCON в видео ниже.

Кварцевый генератор и кварцевые кристаллы

Некоторые из факторов, влияющих на стабильность частоты генератора, обычно включают: колебания температуры, колебания нагрузки, а также изменения напряжения источника питания постоянного тока и многие другие.

Стабильность частоты выходного сигнала может быть значительно улучшена путем правильного выбора компонентов, используемых для резонансной цепи обратной связи, включая усилитель.Но есть предел стабильности, который может быть получен с помощью обычных контуров резервуаров LC и RC.

Квартовый кристалл
Осциллятор

Чтобы получить очень высокий уровень стабильности генератора, кварцевый кварцевый генератор обычно используется в качестве устройства для определения частоты для создания схемы генератора другого типа, известной как кварцевый кварцевый генератор (XO).

Когда источник напряжения подается на небольшой тонкий кусок кристалла кварца, он начинает изменять форму, создавая характеристику, известную как Пьезоэлектрический эффект .Этот пьезоэлектрический эффект является свойством кристалла, с помощью которого электрический заряд создает механическую силу, изменяя форму кристалла, и наоборот, механическая сила, приложенная к кристаллу, создает электрический заряд.

Затем пьезоэлектрические устройства можно классифицировать как преобразователи, поскольку они преобразуют энергию одного вида в энергию другого (электрическую в механическую или механическую в электрическую). Этот пьезоэлектрический эффект вызывает механические колебания или колебания, которые можно использовать для замены стандартной цепи резервуара LC в предыдущих генераторах.

Существует много различных типов кристаллических веществ, которые могут использоваться в качестве генераторов, наиболее важными из них для электронных схем являются минералы кварца, отчасти из-за их большей механической прочности.

Кристалл кварца, используемый в кварцевом генераторе Quartz Crystal Oscillator , представляет собой очень маленький, тонкий кусок или пластину из ограненного кварца с двумя параллельными поверхностями, металлизированными для обеспечения необходимых электрических соединений. Физический размер и толщина кристалла кварца строго контролируются, поскольку они влияют на конечную или основную частоту колебаний.Основная частота обычно называется характеристической частотой кристалла.

После огранки и формы кристалл нельзя использовать на другой частоте. Другими словами, его размер и форма определяют его основную частоту колебаний.

Характеристика кристалла или характеристическая частота обратно пропорциональна его физической толщине между двумя металлизированными поверхностями. Механически колеблющийся кристалл может быть представлен эквивалентной электрической схемой, состоящей из низкого сопротивления R, большой индуктивности L и малой емкости C, как показано ниже.

Модель, эквивалентная кристаллу кварца

Эквивалентная электрическая схема для кристалла кварца показывает последовательную цепь RLC, которая представляет механические колебания кристалла, параллельно с емкостью Cp, которая представляет электрические соединения с кристаллом. Генераторы на кварцевом кристалле имеют тенденцию работать в направлении своего «последовательного резонанса».

Эквивалентный импеданс кристалла имеет последовательный резонанс, где Cs резонирует с индуктивностью Ls на рабочей частоте кристалла.Эта частота называется последовательной частотой кристаллов ƒs. Помимо этой последовательной частоты, существует вторая частотная точка, установленная в результате параллельного резонанса, создаваемого, когда Ls и Cs резонируют с параллельным конденсатором Cp, как показано.

Импеданс кристалла относительно частоты

Наклон импеданса кристалла выше показывает, что по мере увеличения частоты на его выводах. На определенной частоте взаимодействие между последовательным конденсатором Cs и катушкой индуктивности Ls создает последовательный резонансный контур, снижающий импеданс кристаллов до минимума и равный Rs.Эта частотная точка называется резонансной частотой кристаллов ƒs, а ниже ƒs кристалл является емкостным.

Когда частота увеличивается выше этой точки последовательного резонанса, кристалл ведет себя как индуктор, пока частота не достигнет своей параллельной резонансной частоты ƒp. В этой частотной точке взаимодействие между последовательной катушкой индуктивности Ls и параллельным конденсатором Cp создает параллельную настроенную цепь резервуара LC, и, таким образом, полное сопротивление кристалла достигает своего максимального значения.

Тогда мы можем видеть, что кристалл кварца представляет собой комбинацию последовательно и параллельно настроенных резонансных контуров, колеблющихся на двух разных частотах с очень небольшой разницей между ними в зависимости от огранки кристалла. Кроме того, поскольку кристалл может работать либо на своих последовательных, либо на параллельных резонансных частотах, схему кварцевого генератора необходимо настроить на ту или иную частоту, поскольку вы не можете использовать оба вместе.

Итак, в зависимости от характеристик схемы, кристалл кварца может действовать как конденсатор, индуктор, последовательный резонансный контур или как параллельный резонансный контур, и чтобы продемонстрировать это более наглядно, мы также можем построить график зависимости реактивного сопротивления кристалла от частоты, как показано.

Реактивность кристалла в зависимости от частоты

Наклон реактивного сопротивления от частоты выше показывает, что последовательное реактивное сопротивление на частоте s обратно пропорционально Cs, потому что ниже ƒs и выше p кристалл кажется емкостным. Между частотами ƒs и ƒp кристалл кажется индуктивным, поскольку две параллельные емкости компенсируются.

Тогда формула для резонансной частоты серии кристаллов ƒs имеет вид:

Резонансная частота серии

Параллельная резонансная частота ƒp возникает, когда реактивное сопротивление последовательного LC-плеча равно реактивному сопротивлению параллельного конденсатора Cp и задается как:

Частота параллельного резонанса

Квартовый кварцевый генератор

Пример №1

Кристалл кварца имеет следующие значения: Rs = 6.4 Ом, Cs = 0,09972 пФ и Ls = 2,546 мГн. Если емкость на его выводе Cp измеряется как 28,68 пФ, вычислите основную частоту колебаний кристалла и его вторичную резонансную частоту.

Резонансная частота серии кристаллов, ƒ S

Параллельная резонансная частота кристалла, ƒ P

Мы видим, что разница между ƒs, основной частотой кристалла и ƒp мала и составляет около 18 кГц (10.005–9,987 МГц). Однако в этом диапазоне частот добротность кристалла чрезвычайно высока, потому что индуктивность кристалла намного выше, чем его емкостные или резистивные значения. Добротность нашего кристалла на последовательной резонансной частоте равна:

Кварцевые генераторы Q-фактор

Тогда добротность нашего примера кристалла, около 25000, обусловлена ​​этим высоким отношением X L / R. Добротность большинства кристаллов находится в диапазоне от 20 000 до 200 000 по сравнению с хорошо настроенной LC-схемой резервуара, которую мы рассматривали ранее, которая будет намного меньше 1000.Это высокое значение добротности также способствует большей стабильности частоты кристалла на его рабочей частоте, что делает его идеальным для построения схем кварцевого генератора.

Итак, мы видели, что кварцевый кристалл имеет резонансную частоту, аналогичную резонансной частоте электрически настроенного контура LC-резервуара, но с гораздо более высокой добротностью. В основном это связано с его низким последовательным сопротивлением Rs. В результате кристаллы кварца являются отличным выбором для использования в генераторах, особенно в генераторах очень высоких частот.

Типичные кварцевые генераторы могут иметь диапазон частот колебаний от примерно 40 кГц до более 100 МГц в зависимости от конфигурации их схем и используемого усилительного устройства. Огранка кристалла также определяет его поведение, поскольку некоторые кристаллы будут вибрировать с более чем одной частотой, создавая дополнительные колебания, называемые обертонами.

Кроме того, если кристалл не имеет параллельной или однородной толщины, он может иметь две или более резонансных частот, причем основная частота создает так называемые гармоники, такие как вторую или третью гармоники.

Обычно, хотя основная частота колебаний для кристалла кварца намного более сильная или выраженная, чем частота и вторичные гармоники вокруг него, поэтому будет использоваться именно эта частота. На графиках выше мы видели, что эквивалентная схема кристаллов имеет три реактивных компонента, два конденсатора плюс индуктор, поэтому есть две резонансные частоты, самая низкая — это последовательная резонансная частота, а самая высокая — это параллельная резонансная частота.

В предыдущих уроках мы видели, что схема усилителя будет колебаться, если коэффициент усиления контура больше или равен единице, а обратная связь положительная.В схеме Quartz Crystal Oscillator генератор будет колебаться на основной параллельной резонансной частоте кристалла, поскольку кристалл всегда хочет колебаться, когда к нему прикладывается источник напряжения.

Однако также можно «настроить» кварцевый генератор на любую четную гармонику основной частоты (2-я, 4-я, 8-я и т. Д.), И они обычно известны как гармонические осцилляторы , в то время как обертонные осцилляторы вибрируют с нечетной частотой. кратные основной частоте, 3-й, 5-й, 11-й и т. д.).Как правило, кварцевые генераторы, работающие на частотах обертона, используют свою последовательную резонансную частоту.

Кварцевый генератор Колпитца

Цепи кварцевого генератора обычно конструируются с использованием биполярных транзисторов или полевых транзисторов. Это связано с тем, что, хотя операционные усилители могут использоваться во многих различных схемах генераторов низкой частоты (≤100 кГц), операционные усилители просто не имеют полосы пропускания для успешной работы на более высоких частотах, подходящих для кристаллов выше 1 МГц.

Конструкция кварцевого генератора очень похожа на конструкцию генератора Колпиттса, который мы рассматривали в предыдущем уроке, за исключением того, что контур резервуара LC, который обеспечивает колебания обратной связи, был заменен кварцевым кристаллом, как показано ниже.

Кристаллический осциллятор Колпитца

Этот тип кварцевых генераторов спроектирован на основе усилителя с общим коллектором (эмиттерно-повторителем). Сеть резисторов R 1 и R 2 устанавливает уровень смещения постоянного тока на базе, а эмиттерный резистор R E устанавливает уровень выходного напряжения.Резистор R 2 установлен как можно большим, чтобы предотвратить нагрузку на параллельно включенный кристалл.

Транзистор 2N4265 представляет собой NPN-транзистор общего назначения, подключенный в конфигурации с общим коллектором и способный работать со скоростями переключения, превышающими 100 МГц, что значительно выше основной частоты кристалла, которая может находиться в диапазоне от 1 МГц до 5 МГц.

На приведенной выше принципиальной схеме кварцевого генератора Колпитца показано, что конденсаторы C1 и C2 шунтируют выход транзистора, что снижает сигнал обратной связи.Следовательно, коэффициент усиления транзистора ограничивает максимальные значения C1 и C2. Амплитуда выходного сигнала должна быть низкой, чтобы избежать чрезмерного рассеивания мощности в кристалле, иначе он может разрушиться из-за чрезмерной вибрации.

Осциллятор Пирса

Еще одна распространенная конструкция кварцевого генератора — это Pierce Oscillator . Генератор Пирса очень похож по конструкции на предыдущий генератор Колпитца и хорошо подходит для реализации схем кварцевого генератора, использующего кристалл как часть его цепи обратной связи.

Генератор Пирса — это, прежде всего, последовательный резонансный настроенный контур (в отличие от параллельного резонансного контура генератора Колпитца), который использует полевой транзистор в качестве основного усилительного устройства, поскольку полевые транзисторы обеспечивают очень высокие входные импедансы с кристаллом, подключенным между стоком и затвором через конденсатор С1. как показано ниже.

Кристаллический осциллятор Пирса

В этой простой схеме кристалл определяет частоту колебаний и работает на своей последовательной резонансной частоте ƒs, обеспечивающей путь с низким импедансом между выходом и входом.В резонансе имеется фазовый сдвиг 180 o , что делает обратную связь положительной. Амплитуда выходной синусоидальной волны ограничена максимальным диапазоном напряжения на клемме Drain.

Резистор, R1 управляет величиной обратной связи и возбуждением кристалла, в то время как напряжение на радиочастотном дросселе, RFC, меняется на противоположное в течение каждого цикла. Большинство цифровых часов, часов и таймеров используют осциллятор Пирса в той или иной форме, поскольку он может быть реализован с использованием минимального количества компонентов.

Помимо транзисторов и полевых транзисторов, мы также можем создать простой базовый кварцевый генератор с параллельным резонансом, аналогичный по работе генератору Пирса, используя КМОП-инвертор в качестве элемента усиления.Базовый кварцевый генератор состоит из одного инвертирующего логического элемента триггера Шмитта, такого как TTL 74HC19 или CMOS типов 40106, 4049, индуктивного кристалла и двух конденсаторов. Эти два конденсатора определяют значение емкости нагрузки кристалла. Последовательный резистор помогает ограничить ток возбуждения в кристалле, а также изолирует выход инвертора от комплексного импеданса, образованного цепью конденсатор-кристалл.

Кристаллический осциллятор CMOS

Кристалл колеблется на своей последовательной резонансной частоте.Изначально КМОП-инвертор смещается в середину своей рабочей области резистором обратной связи R1. Это гарантирует, что точка Q инвертора находится в области высокого усиления. Здесь используется резистор номиналом 1 МОм, но его значение не критично, если оно больше 1 МОм. Дополнительный инвертор используется для буферизации выходного сигнала генератора на подключенную нагрузку.

Инвертор обеспечивает фазовый сдвиг 180 o , а сети кварцевых конденсаторов — дополнительные 180 o , необходимые для генерации.Преимущество кварцевого генератора КМОП состоит в том, что он всегда автоматически настраивается для поддержания этого фазового сдвига 360 o для колебаний.

В отличие от предыдущих кварцевых генераторов на основе транзисторов, которые вырабатывали синусоидальную форму выходного сигнала, поскольку в генераторе CMOS Inverter используются цифровые логические вентили, выход представляет собой прямоугольную волну, колеблющуюся между HIGH и LOW. Естественно, максимальная рабочая частота зависит от коммутационных характеристик используемого логического элемента.

Кварцевые часы с микропроцессором

Мы не можем закончить учебное пособие по кварцевым осцилляторам , не упомянув кое-что о кварцевых часах микропроцессора. Практически все микропроцессоры, микроконтроллеры, PIC и CPU обычно работают с кварцевым кварцевым генератором в качестве устройства определения частоты для генерации их тактовых сигналов, потому что, как мы уже знаем, кварцевые генераторы обеспечивают высочайшую точность и стабильность частоты по сравнению с резистором-конденсатором. , (RC) или индуктивно-конденсаторные, (LC) генераторы.

Тактовая частота ЦП определяет, насколько быстро процессор может работать и обрабатывать данные с помощью микропроцессора, PIC или микроконтроллера, имеющего тактовую частоту 1 МГц, что означает, что он может обрабатывать данные внутренне один миллион раз в секунду за каждый такт. Как правило, все, что требуется для генерации тактового сигнала микропроцессора, — это кристалл и два керамических конденсатора номиналом от 15 до 33 пФ, как показано ниже.

Микропроцессорный генератор

Большинство микропроцессоров, микроконтроллеров и PIC имеют два вывода генератора, обозначенные OSC1 и OSC2, для подключения к внешней цепи кварцевого кристалла, стандартной цепи RC-генератора или даже к керамическому резонатору.В этом типе микропроцессорного приложения кварцевый кварцевый генератор генерирует серию непрерывных прямоугольных импульсов, основная частота которых регулируется самим кристаллом. Эта основная частота регулирует поток инструкций, управляющих устройством процессора. Например, главные часы и системная синхронизация.

Квартовый кварцевый генератор

Пример №2

Кристалл кварца после резки имеет следующие значения: Rs = 1 кОм, Cs = 0,05 пФ, Ls = 3H и Cp = 10 пФ.Рассчитайте частоты последовательных и параллельных колебаний кристаллов.

Последовательная частота колебаний определяется как:

Частота параллельных колебаний определяется как:

Тогда частота колебаний кристалла будет между 411 кГц и 412 кГц.

Кварцевый кристаллический резонатор, резонатор на ПАВ, датчик QCM

Одним из ключевых компонентов всех электронных устройств является кварцевый резонатор.При сегодняшнем развитии новых приложений требования к кристаллам кварца разнообразны. Хорошее понимание физических и практических возможностей кварцевого резонатора необходимо, чтобы сделать правильный выбор этого компонента при проектировании.

Чтобы назвать представление:

  • Пакет : Корпус кристалла SMD или корпус кристалла со сквозным отверстием (кристалл THD)
  • Размер : какое место на плате доступно.
  • Начальная частота в зависимости от нагрузки электронных компонентов, подключенных к кварцевому резонатору
  • Допуск начальной частоты
  • Допуск по частоте в определенном диапазоне температур
  • ESR (эквивалентное последовательное сопротивление)

Существуют различные типы огранки кристалла для покрытия частотного диапазона от килогерца (например, 32.768 кГц) до более 100 МГц. Обычно кристалл XY-среза используется для низкочастотных кристаллов. Кристалл среза AT начинается от 1 МГц до 40 МГц (в общем) и может работать в режиме обертона (3-й, 5-й, 7-й). Кристалл среза BT имеет почти те же характеристики, что и кристалл среза AT, но может работать только в основном режиме. Кристалл SC-среза в основном используется для высокопроизводительных приложений, поскольку он имеет несколько превосходных характеристик. Это самые распространенные формы огранки кристаллов. (Некоторую общую информацию о кварцевых резонаторах можно найти здесь)

Инженерам-конструкторам не всегда легко сделать правильный выбор, какой тип кристалла можно использовать.FCD-Tech может помочь найти правильный тип кристалла, который соответствует требованиям электронного приложения. У нас есть широкий ассортимент различных корпусов SMD Crystal, а также корпусов для сквозных отверстий, доступных в широком диапазоне частот. Мы также очень хорошо знаем, что цена имеет значение, и предложим конкурентоспособные решения.

Свяжитесь с FCD-Tech по электронной почте или через контактную форму, если у вас есть вопросы или вам нужна поддержка, чтобы найти правильный кварцевый резонатор.

Обзор Типы кристаллов кварца:

Доступны многие типы кристаллических корпусов SMD, от небольших керамических корпусов до металлических сварных корпусов.Различные диапазоны частот и спецификации для начальных допусков частоты и температурных допусков.

Хорошо известными типами кристаллов со сквозным отверстием являются HC49U, низкопрофильные HC49US, UM1, UM5 доступны на странице обзора. По особым требованиям, например, к кристаллам, запечатанным из стекла с низким уровнем старения, или кристаллам специальной огранки SC, обращайтесь в FCD-Tech.

.

Кристалл 32,768 кГц (в основном используется для синхронизации), а также другие низкочастотные кристаллы в килогерцовом диапазоне.Кристаллические корпуса KHz бывают в SMD, а также в (цилиндрических) корпусах со сквозными отверстиями. Доступно несколько вариантов допусков по частоте.

Кристаллы как датчик для измерения массы, давления, силы и температуры. В микровесах с кварцевыми кристаллами (QCM) используется контрольный кристалл для измерения изменений массы. Другие варианты пьезокристаллических сенсоров можно найти в этом разделе, а также испытательное оборудование.

Резонаторы

на ПАВ используются во многих случаях, в которых используются кристаллы кварца, поскольку они могут работать на более высоких частотах. Они часто используются в радиопередатчиках, где не требуется настраиваемость. Диапазон частот для резонаторов на ПАВ составляет от 224 МГц до 820 МГц. Опции для нестандартных единиц.

Авторские права @ 2019 FCD-Tech B.V.

Zircon — это одна из сторонних разработчиков темы Drupal
, разработанная WeebPal.

Есть ли преимущества использования МЭМС перед кварцевыми резонаторами?

Мы часто получаем этот вопрос от клиентов, и на него стоит обратить внимание. В течение почти 20 лет генераторы на основе MEMS-резонаторов существовали на фоне обещаний стать жизнеспособной и прорывной заменой кварцевых генераторов. За прошедшие годы более десятка компаний начали разработку резонаторов MEMS, и только одна компания успешно выжила в качестве крупного поставщика за этот период.

Есть много заявлений об улучшенной чувствительности к вибрации, более низкой стоимости производства и повышенной надежности при использовании MEMS-резонатора. Однако, как только вы начинаете изучать эти области, данные иногда не соответствуют условиям реального мира. Например, среднее время безотказной работы (MTBF) в 130 000 лет для устройств на основе МЭМС по сравнению с 30 000 лет для решений на основе кварца не должно вызывать особого беспокойства ни у одного разработчика. Но если представить это как улучшение 4: 1 между отказом, это создает иное впечатление в уме дизайнера, не добавляя никаких реальных преимуществ к долговременной надежности детали.Разработчики считают 30 000 лет приемлемым уровнем наработки на отказ, что делает это утверждение спорным.

Одной из ключевых особенностей резонаторов MEMS является чувствительность к вибрации (иногда называемая гравитационной чувствительностью или колебанием фазы, вызванным вибрацией). Это было признано примерно в 2001 году и позиционировалось как ключевая разрушительная особенность резонатора. Однако, как только мы начнем смотреть на данные, справедливо задаться вопросом, есть ли какие-то реальные преимущества. Рассмотрим следующее:

  • Типичный диапазон вибрации указан от субгерцовых уровней до 2 кГц.
    • Уровни плотности вибрации прекращаются или значительно снижаются выше 2 кГц в большинстве приложений
  • Фазовый джиттер обычно имеет диапазон интегрирования от 12 кГц до 20 МГц на основе измерения фазового шума.
    • Этот диапазон в шесть раз превышает максимальный уровень вибрации, который может указать любой заказчик.
  • Единицы измерения чувствительности к вибрации — доли на миллиард на грамм вибрации (ppb / g).
    • МЭМС чувствительность к вибрации колеблется от 0.От 01 ppg / g до 1 ppb / g в зависимости от ориентации резонатора
    • Чувствительность кварца к вибрации колеблется от 0,1 до 1 частей на миллиард / г в зависимости от ориентации резонатора
    • Производители кварца значительно улучшили чувствительность к вибрации за последние 20 лет до уровня MEMS
  • Основными улучшениями являются изменения в размере заготовки, более частые применения и повышенная точность юстировки заготовки.
  • Эти изменения значительно улучшили чувствительность к вибрации и удару в кварцевых генераторах.
    • Программируемые тактовые генераторы серии Renesas ProXO XF и XP используют эти усовершенствования кварцевого процесса для достижения низких уровней чувствительности к ударам и вибрации.
  • Фазовый сдвиг, вызванный вибрацией (повышенный уровень фазового шума), не зависит от температуры и фазового шума, вызванного сетью.
    • Шум, вызванный вибрацией, является среднеквадратичным дополнением к шуму, вызванному температурой и сетью
    • До тех пор, пока уровень шума, вызванного вибрацией, не станет равным или выше уровня шума, вызванного температурой и сетевым шумом, шум, вызванный вибрацией, можно игнорировать

Если мы посмотрим на типичные уровни фазового шума как генератора на основе MEMS, так и генератора на основе кварца, на 156.25 МГц при уровне вибрации 10 gs мы видим:

  • В статических условиях кварцевый генератор обычно имеет на 40 дБ меньше шума, чем его аналог для МЭМС
  • При высоком уровне непрерывной вибрации чувствительность к вибрации кварцевого генератора равна статическим уровням вибрации генератора на основе MEMS.
    • Поскольку статический и динамический уровни почти равны для генератора на основе MEM, в этом диапазоне наблюдается очень небольшое увеличение уровня фазового шума.

Когда непрерывная вибрация при 10 g происходит в диапазоне вибрации от 10 Гц до 2 кГц, уровни фазового шума кварцевых генераторов и генераторов на основе MEMS равны.Но постоянный уровень вибрации 10 г в этом частотном диапазоне приведет к снижению долговременной надежности и поломке продукта из-за увеличения веса печатной платы и других более крупных и тяжелых компонентов внутри системы. Если предположить, что 10 g происходит только в небольшом проценте случаев, кварцевый генератор будет иметь более низкие характеристики фазового шума, что делает его лучшим решением для реальных условий.

В учебном пособии Джона Вига по кварцевым резонаторам и осцилляторам (июль 2016 г.) он подробно описывает влияние вибрационной чувствительности.Из его руководства мы можем использовать следующее, чтобы посмотреть на эффект чувствительности к вибрации (Слайд 167, раздел 4-73)

С учетом данных, рассмотренных здесь, мы видим, что нет реальных преимуществ использования генератора MEMS-резонатора по сравнению с более распространенным и стабильным генератором на основе кварца. Таким образом, Renesas исключил продукт из нашего портфолио несколько лет назад и продолжил уделять внимание кварцевым резонаторам и совершенствованию предлагаемых нами устройств с внутренними резонаторами, включая новое семейство программируемых тактовых генераторов ProXO.

Посетите renesas.com/xo для получения дополнительной информации о наших кварцевых генераторах ФАПЧ, включая высокопроизводительную серию ProXO, включающую семейства XF и XP.

Resources
John Vig, Кварцевые кристаллические резонаторы и осцилляторы , 2016 https://ieee-uffc.org/download/quartz-crystal-resonators-and-oscillators-for-frequency-control-and-timing-applications -a-tutorial-2/

Страница не найдена | SiTime

  • Описание:

    Средство очистки джиттера MEMS с 10 выходами, низкий уровень джиттера

  • Описание:

    Низкий джиттер, сетевой синхронизатор MEMS с 8 выходами

  • Описание:

    Низкий джиттер, сетевой синхронизатор MEMS с 11 выходами

  • Описание:

    Генератор тактовых импульсов для МЭМС с низким уровнем джиттера, 10 выходов

  • Описание:

    Генератор тактовых импульсов MEMS с низким уровнем джиттера, 11 выходов

  • Описание:

    Стандартная частота ± 10 до ± 50 ppm Дифференциальный XO

  • Описание:

    От 1 до 220 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm Дифференциальный XO

  • Описание:

    От 220 до 625 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm Дифференциальный XO

  • Описание:

    Дифференциал со сверхнизким джиттером стандартной частоты XO

  • Описание:

    От 1 до 220 МГц, дифференциальный XO со сверхнизким джиттером

  • Описание:

    От 220 до 725 МГц, сверхнизкий дифференциал джиттера XO

  • Описание:

    Дифференциальный XO со сверхнизким джиттером для стандартных сетевых частот

  • Описание:

    Дифференциальный XO с низким джиттером для стандартных сетевых частот

  • Описание:

    3.От 57 до 77,76 МГц, маломощный генератор

  • Описание:

    от 1 до 110 МГц, генератор SOT23

  • Описание:

    от 115 до 137 МГц, генератор SOT23

  • Описание:

    от 1 до 110 МГц, маломощный генератор

  • Описание:

    от 115 до 137 МГц, маломощный генератор

  • Описание:

    Осциллятор от 1 до 80 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm

  • Описание:

    Осциллятор от 80 до 220 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm

  • Описание:

    Высокотемпературный генератор стандартной частоты

  • Описание:

    От 1 до 110 МГц, высокотемпературный (от -40 до + 125 ° C) Генератор SOT23

  • Описание:

    от 115 до 137 МГц, высокотемпературный (от -40 до + 125 ° C) Генератор SOT23

  • Описание:

    от 1 до 110 МГц, широкий диапазон температур (от -55 до + 125 ° C) Генератор SOT23

  • Описание:

    от 119 до 137 МГц, широкий диапазон температур (от -55 до + 125 ° C) Генератор SOT23

  • Описание:

    1–110 МГц, осциллятор SOT23 AEC-Q100 с широким диапазоном температур

  • Описание:

    от 115 до 137 МГц, осциллятор SOT23 AEC-Q100 с широким диапазоном температур

  • Описание:

    От 1 до 110 МГц, высокотемпературный осциллятор (от -40 до + 125 ° C)

  • Описание:

    от 115 до 137 МГц, высокотемпературный осциллятор (от -40 до + 125 ° C)

  • Описание:

    от 1 до 110 МГц, широкий температурный осциллятор (от -55 до + 125 ° C)

  • Описание:

    от 119 до 137 МГц, широкий температурный осциллятор (от -55 до + 125 ° C)

  • Описание:

    1–110 МГц, широкотемпературный осциллятор AEC-Q100 (от -55 до + 125 ° C)

  • Описание:

    от 115 до 137 МГц, широкотемпературный осциллятор AEC-Q100 (от -55 до + 125 ° C)

  • Описание:

    От 1 до 220 МГц, AEC-Q100 Дифференциальный XO со сверхнизким джиттером

  • Описание:

    От 220 до 725 МГц, AEC-Q100 Дифференциальный XO со сверхнизким джиттером

  • Описание:

    от 1 до 150 МГц, генератор с расширенным спектром AEC-Q100

  • Описание:

    От 1 до 220 МГц, дифференциальный осциллятор с расширенным спектром

  • Описание:

    От 1 до 110 МГц, маломощный генератор с расширенным спектром

  • Описание:

    от 1 до 141 МГц, осциллятор с расширенным спектром

  • Описание:

    Дифференциал со сверхнизким джиттером от 1 до 220 МГц VCXO

  • Описание:

    Дифференциал со сверхнизким джиттером, от 220 до 725 МГц, VCXO

  • Описание:

    Стандартная частота VCXO

  • Описание:

    от 1 до 80 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm VCXO

  • Описание:

    от 80 до 220 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm VCXO

  • Описание:

    Программируемый осциллятор I2C / SPI от 1 до 340 МГц

  • Описание:

    Программируемый осциллятор I2C / SPI от 340 до 725 МГц

  • Описание:

    от 1 до 220 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm XO

    с цифровым управлением
  • Описание:

    От 1 до 220 МГц, дифференциальный XO с цифровым управлением

  • Описание:

    От 220 до 625 МГц, дифференциальный XO с цифровым управлением

  • Описание:

    от 1 до 60 МГц, Stratum 3E OCXO

  • Описание:

    от 1 до 60 МГц, Stratum 3E DCOCXO

  • Описание:

    ± 0.5 страниц в минуту Super-TCXO для GNSS / GPS

  • Описание:

    от 1 до 60 МГц, от ± 0,5 до ± 2,5 ppm Super-TCXO

  • Описание:

    от 60 до 220 МГц, ± 0.От 5 до ± 2,5 частей на миллион Super-TCXO

  • Описание:

    от 1 до 60 МГц, Stratum 3 Super-TCXO

  • Описание:

    от 60 до 220 МГц, Stratum 3 Super-TCXO

  • Описание:

    от 60 до 220 МГц, ± 50 частей на миллиард Super-TCXO

  • Описание:

    от 1 до 60 МГц, ± 50 частей на миллиард Super-TCXO

  • Описание:

    от 1 до 60 МГц, ± 0.От 5 до ± 2,5 частей на миллион AEC-Q100 Super-TCXO

  • Описание:

    от 60 до 220 МГц, от ± 0,5 до ± 2,5 ppm AEC-Q100 Super-TCXO

  • Описание:

    от 1 до 60 МГц, ± 0.От 1 до ± 2,5 частей на миллион AEC-Q100 Super-TCXO

  • Описание:

    от 60 до 220 МГц, от ± 0,1 до ± 2,5 ppm AEC-Q100 Super-TCXO

  • Описание:

    Стандартная частота ± 5 ppm (VC) TCXO

  • Описание:

    от 1 до 80 МГц, ± 5 ppm (VC) TCXO

  • Описание:

    От 1 до 220 МГц, ± 5 ppm Дифференциальный (VC) TCXO

  • Описание:

    От 220 до 625 МГц, ± 5 ppm дифференциала (VC) TCXO

  • Описание:

    от ± 2 до ± 10 ppm TCXO малой мощности, от 10 до 60 МГц

  • Описание:

    от 1 до 60 МГц, ± 0.От 5 до ± 2,5 частей на миллион Super-TCXO

  • Описание:

    от 60 до 220 МГц, от ± 0,5 до ± 2,5 ppm Super-TCXO

  • Описание:

    от 1 до 60 МГц, ± 0.Точность от 1 до ± 0,25 ppm Super-TCXO

  • Описание:

    От 1 до 60 МГц, точность ± 50 частей на миллиард Super-TCXO

  • Описание:

    от 60 до 220 МГц, точность ± 50 частей на миллиард Super-TCXO

  • Описание:

    от 60 до 220 МГц, ± 0.Точность от 1 до ± 0,25 ppm Super-TCXO

  • Описание:

    от 115 до 137 МГц, расширенный диапазон температур (от -55 до 125 ° C) Генератор SOT-23

  • Описание:

    От 1 до 110 МГц, расширенный температурный режим (от -55 ° C до 125 ° C) Генератор SOT-23

  • Описание:

    Осциллятор от 115 до 137 МГц, расширенный диапазон температур (от -55 до 125 ° C)

  • Описание:

    1–110 МГц, расширенный температурный (от -55 ° C до 125 ° C) осциллятор

  • Описание:

    от 1 до 150 МГц, расширенный спектр, расширенная температура (от -55 ° C до 125 ° C)

  • Описание:

    От 1 до 220 МГц, сверхнизкий джиттер, от ± 10 до ± 50 ppm Дифференциальный осциллятор

  • Описание:

    От 220 до 725 МГц, сверхнизкий джиттер, от ± 10 до ± 50 ppm Дифференциальный осциллятор

  • Описание:

    от 1 до 340 МГц, сверхнизкий джиттер, от ± 20 до ± 50 ppm, программируемый генератор I2C

  • Описание:

    От 340 до 725 МГц, сверхнизкий джиттер, от ± 20 до ± 50 ppm, программируемый генератор I2C

  • Описание:

    от 220 до 725 МГц, сверхнизкий джиттер, от ± 15 до ± 50 ppm VCXO

  • Описание:

    от 1 до 220 МГц, сверхнизкий джиттер, от ± 15 до ± 50 ppm VCXO

  • Описание:

    Сверхкомпактный, маломощный, низкий уровень джиттера, ± 5 ppm, 32.768 кГц TCXO

  • Описание:

    Сверхкомпактный, маломощный генератор с низким уровнем джиттера, от 1 Гц до 2,5 МГц

  • Описание:

    Сверхмалый µPower, 32.768 кГц Quartz XTAL Замена

  • Описание:

    µPower, 32,768 кГц Quartz XTAL Замена

  • Описание:

    Сверхмалый с низким уровнем джиттера, 32.768 кГц ± 50 ppm Генератор

  • Описание:

    Сверхнизкое энергопотребление, сверхмалый генератор 32,768 кГц или 16,384 кГц

  • Описание:

    Сверхмалый с низким уровнем джиттера, 32.Генератор 768 кГц ± 100 ppm

  • Описание:

    Сверхмалый µPower, от ± 5 до ± 20 ppm, 32,768 кГц TCXO

  • Описание:

    Сверхкомпактный, энергосберегающий, с низким уровнем джиттера, от ± 3 до ± 5 ppm, 32.768 кГц TCXO

  • Описание:

    Сверхмалое энергопотребление, ± 5 ppm, 32,768 кГц TCXO с внутрисистемной автокалибровкой

  • Описание:

    Сверхмалый микропитание, от 1 Гц до 32.Генератор 768 кГц

  • Описание:

    Сверхмалое энергопотребление, от 1 Гц до 462,5 кГц, осциллятор ± 50 ppm

  • Описание:

    Сверхмалое энергопотребление, низкий уровень джиттера, от 1 Гц до 2.5 МГц TCXO

  • Описание:

    Сверхкомпактный, маломощный генератор с низким уровнем джиттера, от 1 Гц до 2,5 МГц

  • Описание:

    От 1 до 26 МГц, сверхмалый микроконтроллер

  • Описание:

    Резонаторы ApexMEMS МГц, 0.18 мм2

  • Описание:

    SiT1252 Встроенный MEMS-резонатор, кГц

    • Как выжить в космосе

    В нашем недавнем сообщении в блоге «Проверенные в космосе кристаллические осцилляторы и резонаторы» мы отправили вас в путешествие в космос.Вы увидели, с какими проблемами придется столкнуться и Кристальным Осцилляторам, и Резонаторам, находясь в глубинах космоса. Мы собираемся отправиться в еще одно похожее, но более конкретное путешествие!

    Резонаторы в космосе будут в центре внимания этого поста. Кварцевые резонаторы можно использовать для самых разных целей в космическом корабле. Я уверен, что вы можете представить себе, какие экстремальные испытания и суровость могут возникнуть в огромном мире космоса с этими тонкими резонаторами.

    В этом посте вы узнаете, что резонаторы 6 спроектированы таким образом, чтобы выдерживать интенсивную космическую среду , сохраняя при этом свои отличные функциональные возможности.

    1. Запечатанный поцелуем? (Больше похоже на герметичный)

    Во время космических путешествий одно из важнейших требований, предъявляемых к космическому кораблю, — это герметичность. Для резонаторов тем более важно, чтобы их герметичное уплотнение не было нарушено, чтобы их внутренние части оставались герметичными. Если уплотнение сломано, резонатор становится восприимчивым к повреждениям, в том числе к значительному старению за короткий промежуток времени, а также к увеличению его эквивалентного последовательного сопротивления.

    2. Принятие космической радиации

    Без защитного слоя атмосферы, который есть на Земле, космический корабль испытывает регулярные приступы ионизирующего излучения в дополнение к различным другим типам космического излучения, которые могут привести к повреждению кварцевого резонатора, если он специально не подготовлен к путешествию. Сегодняшние резонаторы состоят из комбинации элементов в определенном соотношении, чтобы обеспечить максимальную защиту от космического излучения. Кварцевый резонатор также имеет покрытие из специально подготовленного поликарбоната, которое способно поглощать часть излучения, исходящего из космоса, и предотвращать его попадание в резонатор.

    3. Защита от вибрации

    Земные резонаторы не смогут справиться с движением, связанным с запуском космического корабля, и, скорее всего, сломаются или сломаются во время запуска. Другие вредные побочные эффекты вибрации могут включать нежелательные боковые полосы, а также ухудшение характеристик фазового шума. Чтобы выдержать вибрацию при запуске, космический корабль и все его компоненты должны быть спроектированы особым образом и изготовлены из тщательно отобранных материалов, которые могли бы выдерживать часто сильные вибрации, которые корабль будет испытывать при входе в атмосферу и выходе из нее. планета.

    4. Термостойкость

    В космосе экстремальные температуры, которые испытывает космический корабль, не похожи ни на что из того, что когда-либо испытывали люди, живущие в атмосфере Земли. Кварцевый резонатор должен работать в самых суровых температурных условиях — от холода космоса до обжигающих температур нефильтрованных солнечных лучей. Для этого разработаны кристаллы, пригодные для использования в космосе, чтобы гарантировать, что они не будут испытывать слишком большого расширения или сжатия и имеют пониженный температурный коэффициент, чтобы выдерживать экстремальные температуры без плавления.

    5. Большая работа, меньший размер

    Еще один очень важный момент, который следует учитывать, — это то, что на борту космического корабля очень мало места. По этой причине кварцевый резонатор должен быть как можно меньше и способным плотно вписаться в ограниченное пространство на блоке управления корабля. Одна из самых первых целей ученых, разрабатывающих кварцевые резонаторы для космических исследований, заключалась в том, чтобы как можно больше уменьшить их размер.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *