Для чего нужен кварцевый резонатор. Кварцевый резонатор: принцип работы, применение и преимущества

alexxlabРазное
Что такое кварцевый резонатор. Как устроен и работает кварцевый резонатор. Где применяются кварцевые резонаторы. Каковы основные преимущества кварцевых резонаторов. Как проверить исправность кварцевого резонатора.

Содержание

Что такое кварцевый резонатор и как он устроен

Кварцевый резонатор — это электронный компонент, используемый для генерации стабильных электрических колебаний заданной частоты. Его основу составляет пластинка из кристаллического кварца, обладающая пьезоэлектрическими свойствами.

Основные элементы конструкции кварцевого резонатора:

  • Кварцевая пластинка определенной формы и толщины
  • Металлические электроды, нанесенные на поверхности пластинки
  • Выводы для подключения
  • Герметичный корпус для защиты от внешних воздействий

Толщина и форма кварцевой пластинки определяют резонансную частоту колебаний. Чем тоньше пластинка, тем выше частота. Для разных диапазонов частот применяются разные типы срезов кристалла кварца.

Принцип работы кварцевого резонатора

Работа кварцевого резонатора основана на пьезоэлектрическом эффекте. При подаче переменного электрического напряжения на электроды кварцевая пластинка начинает механически колебаться. Эти колебания, в свою очередь, вызывают появление переменного электрического поля.


Как происходит генерация колебаний в кварцевом резонаторе:

  1. На электроды подается переменное напряжение
  2. Кварцевая пластина начинает механически колебаться
  3. Механические колебания порождают переменное электрическое поле
  4. Возникает положительная обратная связь
  5. Устанавливаются устойчивые колебания на резонансной частоте

Высокая добротность кварцевого резонатора (до 10^6) обеспечивает очень стабильную частоту колебаний. Точность поддержания частоты может достигать 10^-8 и выше.

Основные области применения кварцевых резонаторов

Благодаря способности генерировать высокостабильные колебания, кварцевые резонаторы широко применяются в различных областях электроники и радиотехники:

  • Тактовые генераторы для микропроцессоров и микроконтроллеров
  • Опорные генераторы в системах связи
  • Стабилизация частоты в радиопередатчиках
  • Фильтры промежуточной частоты в радиоприемниках
  • Кварцевые часы и таймеры
  • Измерительные приборы (частотомеры, генераторы сигналов и др.)
  • Системы GPS и ГЛОНАСС

Кварцевые резонаторы незаменимы везде, где требуется высокая стабильность и точность частоты.


Преимущества кварцевых резонаторов

Кварцевые резонаторы обладают рядом важных преимуществ по сравнению с другими типами резонаторов:

  • Очень высокая стабильность частоты (до 10^-8 и выше)
  • Высокая добротность (до 10^6)
  • Малые габариты и вес
  • Низкое энергопотребление
  • Широкий диапазон рабочих частот (от кГц до сотен МГц)
  • Хорошая температурная стабильность
  • Долговечность и надежность
  • Относительно низкая стоимость

Эти преимущества обеспечили кварцевым резонаторам широкое распространение в современной электронике.

Как проверить исправность кварцевого резонатора

Для проверки работоспособности кварцевого резонатора можно использовать несколько методов:

Проверка мультиметром

Простейший способ — измерить сопротивление резонатора мультиметром:

  1. Установите мультиметр в режим измерения сопротивления
  2. Подключите щупы к выводам резонатора
  3. Исправный резонатор должен показывать «бесконечное» сопротивление
  4. Если показывает 0 Ом — резонатор неисправен (короткое замыкание)

Проверка с помощью генератора

Более надежный метод — подключить резонатор к простейшему генератору:


  1. Соберите простую схему генератора на транзисторе
  2. Подключите проверяемый резонатор
  3. Подайте питание и проверьте наличие генерации осциллографом
  4. Измерьте частоту — она должна соответствовать номиналу резонатора

Отсутствие генерации или сильное отклонение частоты указывает на неисправность резонатора.

Маркировка кварцевых резонаторов

На корпусе кварцевого резонатора обычно указывается следующая информация:

  • Номинальная частота (например, 16.000 МГц)
  • Точность (например, ±30 ppm)
  • Тип корпуса (HC-49/U, HC-49/S и т.д.)
  • Производитель
  • Дата выпуска (год/неделя)

Зная маркировку, можно определить основные характеристики резонатора и правильно его применить.

Альтернативы кварцевым резонаторам

Несмотря на популярность, у кварцевых резонаторов есть альтернативы:

  • МЭМС-резонаторы — меньше размер, выше стойкость к ударам и вибрациям
  • Керамические резонаторы — дешевле, но менее стабильны
  • LC-генераторы — проще, но значительно менее стабильны
  • Атомные стандарты частоты — намного точнее, но очень дороги и громоздки

Выбор типа резонатора зависит от конкретного применения, требуемых характеристик и бюджета.


Заключение

Кварцевые резонаторы остаются одним из самых популярных и надежных компонентов для генерации стабильных колебаний в электронике. Их уникальные свойства обеспечивают широкое применение в самых разных областях — от простых часов до сложных систем связи и навигации. Понимание принципов работы и особенностей применения кварцевых резонаторов необходимо каждому разработчику электронных устройств.


Кварцевые резонаторы Arduino с доставкой

Кварцевые резонаторы

Ваш кошик порожній!

В классическом исполнении кварцевый резонатор — радиотехнический элемент, который используют для создания цепей с целью генерации электроколебаний. Кварцевый резонатор Ардуино отличается от стандартного исполнения устройств подобного рода. Он является более компактным и достаточно стабильным в работе. Поэтому нет необходимости использовать колебательный контур на основе конденсатора и катушки индуктивности. Оптимально применять кварцевый резонатор для микроконтроллера в качестве источника гармонических колебаний и обеспечения надежной замены колебательного контура.

Кварцевый резонатор: для чего нужен

Если ардуинщик имеет мало опыта, но согласно схеме нужно внедрить в проект кварцевый резонатор, что делает этот прибор ему сразу же становится понятным. В глобальном понимании резонатором называют систему, которая может совершать колебания на максимальные амплитуды в условиях воздействия разных внешних сил. Свойства прибора стали возможными благодаря заключению кварца в прочном корпусе. Это кристаллическое минеральное вещество обладает высокой прочностью и свойством пьезоэлектрика, отсюда все указанные свойства.

На современном рынке в большом разнообразии представлены кварцевые резонаторы, купить можно элементы разных размеров и форм. Габариты внутренней пластины из кварца — крайне важный показатель, от которого зависит основная частота электрических колебаний. Отсюда следующая зависимость: чем больше толщина у пластинки, тем меньше рабочая частота. В связи с этим самые высокочастотные приборы допускают не более 50 МГц — в этом случае кварц очень тонкий. Для Arduino предельная частота — 25 МГц. 

Зачастую, когда речь идет о том, чтобы приобрести кварцевый резонатор, где его найти выясняют сборщики функциональных устройств — часов, роботов или каких-либо ЧПУ. Для некоторых групп приборов подходят только определенные “кварцы”, которые имеют всегда постоянную частоту. Например:

  • Кварцевый резонатор для часов — имеет частоту 32. 768 Герц. Странный размер частоты — это 2 в 15 степени. Такой элемент работает только в паре с 15-разрядной микросхемой-счетчиком. Принцип работы системы прост: как только она посчитает 32.768, выдается импульс. Резонатор в 32.768 Герца выдает импульс один раз в секунду, поэтому его называют часовым.
  • Кварцевый резонатор генератор — выдающий сигнал синусоидальной формы или прямоугольнике. Последний часто используется в цифровой электронике, первый — уместен для аналитики и измерения частот.
  • Кварцевый резонатор в микроконтроллерах — применяется для стабилизации работы контроллера. Для бытовых проектов подойдут низко- и среднечастотные “кварцы”, в профессиональных целях используют высокочастотные элементы.

Кварцевый резонатор: типы и преимущества

Четкой градации оборудования для проектов Arduino в настоящее время не введено. Кварцевые резонаторы купить в Украине можно с разной частотой, минимальная — 4 МГц, исключением является модель для часов. Выбор следует основывать на целях применения конечного проекта. Чем сложнее и не стабильнее цепочка, тем выше частота. Однако применение элементов выгодно по ряду причин:

  • Долговечность — устройства прослужат длительное время и обеспечат стабильную и долгую работу проекта.
  • Компактность — возможность кварцевый резонатор заказать для проекта любых масштабов.
  • Устойчивость — сохранение целостности при негативных воздействиях.

Стабильность в широком диапазоне температур — от -10 до +15 градусов по Цельсию. Работают и при более высоких температурах, но при этом требуют контроля за стабильностью.

Многие опытные ардуинщики подбирают в базу ни один кварцевый резонатор — для чего? В комплекте с Ардуино можно создавать эффектные каскадные фильтры, которые не будут требовать ручной настройки во время эксплуатации многофункционального устройства.

Кварцевые резонаторы в Украине

Интернет-магазин Ekot предлагает кварцевые резонаторы купить в Киеве, Харькове или из любого другого города Украины с доставкой. В данном разделе каталога представлены приборы по доступной цене высокого качества. Обратите внимание, техническое описание мы разместили на каждый кварцевый резонатор, даташит также прилагается к каждой модели, так как оборудование поставляется от производителя напрямую.

Заказ оформляется в стандартном порядке — через Корзину. В нашем интернет-магазине вы можете приобрести не только кварцевый резонатор, где взять остальные элементы для создания проекта в рамках Arduino вы сможете определить с помощью удобного фильтра каталога. Выберите подходящий раздел и оформите покупку. Если у вас возникли вопросы, свяжитесь с нами любым доступным способом.

Кварцевый резонатор — структура, принцип работы, как проверить

Современная цифровая техника требует высокой точности, поэтому совсем неудивительно, что практически любое цифровое устройство, какое бы не попалось сегодня на глаза обывателю, содержит внутри кварцевый резонатор.

Кварцевые резонаторы на различные частоты необходимы в качестве надежных и стабильных источников гармонических колебаний, чтобы цифровой микроконтроллер мог бы опереться на эталонную частоту, и оперировать с ней в дальнейшем, в процессе работы цифрового устройства. Таким образом, кварцевый резонатор — это надежная замена колебательному LC-контуру.

Если рассмотреть простой колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности, то быстро выяснится, что добротность такого контура в схеме не превысит 300, к тому же емкость конденсатора будет плавать в зависимости от температуры окружающей среды, то же самое произойдет и с индуктивностью.

Не даром есть у конденсаторов и катушек такие параметры как ТКЕ — температурный коэффициент емкости и ТКИ — температурный коэффициент индуктивности, показывающие, насколько изменяются главные параметры этих компонентов с изменением их температуры.

В отличие от колебательных контуров, резонаторы на базе кварца обладают недостижимой для колебательных контуров добротностью, которая измеряется значениями от 10000 до 10000000, причем о температурной стабильности кварцевых резонаторов речи не идет, ведь частота остается постоянной при любом значении температуры, как правило из диапазона от -40°C до +70°C.

Так, благодаря высоким показателям температурной стабильности и добротности, кварцевые резонаторы применяются всюду в радиотехнике и цифровой электронике.

Для задания микроконтроллеру или процессору тактовой частоты, ему всегда необходим генератор тактовой частоты, на который он мог бы надежно опереться, и генератор этот всегда нужен высокочастотный и при том высокоточный. Здесь то и приходит на помощь кварцевый резонатор. Конечно, в некоторых применениях можно обойтись пьезокерамическими резонаторами с добротностью 1000, и таких резонаторов достаточно для электронных игрушек и бытовых радиоприемников, но для более точных устройств необходим кварц.

В основе работы кварцевого резонатора — пьезоэлектрический эффект, возникающий на кварцевой пластинке. Кварц представляет собой полиморфную модификацию диоксида кремния SiO2, и встречается в природе в виде кристаллов и гальки. В свободном виде в земной коре кварца около 12%, кроме того в виде смесей в составе других минералов также содержится кварц, и в общем в земной коре более 60% кварца (массовая доля).

Для создания резонаторов подходит низкотемпературный кварц, обладающий ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами. Химически кварц весьма устойчив, и растворить его можно лишь в гидрофторидной кислоте. По твердости кварц превосходит опал, но до алмаза не дотягивает.

При изготовлении кварцевой пластинки, от кристалла кварца под строго заданным углом вырезают кусочек. В зависимости от угла среза полученная кварцевая пластинка будет отличаться по своим электромеханическим свойствам.

От типа среза зависит многое: частота, температурная стабильность, устойчивость резонанса и отсутствие либо наличие паразитных резонансных частот. На пластинку затем наносят с обеих сторон по слою металла, коим может быть никель, платина, серебро или золото, после чего жесткими проволочками крепят пластинку в основание корпуса кварцевого резонатора. Последний шаг — корпус герметично собирают.

Так получается колебательная система, обладающая собственной резонансной частотой, и кварцевый резонатор, полученный таким образом, обладает собственной резонансной частотой, определяемой электромеханическими параметрами.

Теперь если приложить к металлическим электродам пластики переменное напряжение данной резонансной частоты, то проявится явление резонанса, и амплитуда гармонических колебаний пластинки весьма значительно возрастет. При этом сопротивление резонатора сильно понизится, то есть процесс аналогичен происходящему в последовательном колебательном контуре. В силу высокой добротности такого «колебательного контура», энергетические потери при его возбуждении на резонансной частоте пренебрежимо малы.

На эквивалентной схеме: C2 – статическая электроемкость пластинок с держателями, L – индуктивность, С1 — емкость, R – сопротивление, отражающие электромеханические свойства установленной пластинки кварца. Если убрать монтажные элементы, останется последовательный LC-контур.

В процессе монтажа на печатную плату, кварцевый резонатор нельзя перегревать, ведь конструкция его довольно хрупка, и перегрев может привести к деформации электродов и держателя, что непременно отразится на работе резонатора в готовом устройстве.

Если же разогреть кварц до 5730°C, он вовсе утратит свои пьезоэлектрические свойства, но, к счастью, нагреть элемент паяльником до такой температуры невозможно.

Обозначение кварцевого резонатора на схеме похоже на обозначение конденсатора с прямоугольником между пластинами (кварцевая пластинка), и с надписью «ZQ» или «Z».

Часто причиной повреждения кварцевого резонатора является падение или сильный удар устройства, в котором он установлен, и тогда необходимо заменить резонатор на новый с той же резонансной частотой. Такие повреждения свойственны малогабаритным приборам, которые легко уронить. Однако, по статистике, подобные повреждения кварцевых резонаторов встречаются крайне редко, и чаще неисправность прибора оказывается вызвана иной причиной.

Чтобы проверить кварцевый резонатор на исправность, можно собрать небольшой пробник, который поможет не только убедиться в работоспособности резонатора, но и увидеть его резонансную частоту. Схема пробника представляет собой типичную схему кварцевого генератора на одном транзисторе.

Включив резонатор между базой и минусом (можно через защитный конденсатор на случай короткого замыкания в резонаторе), остается измерить частотомером резонансную частоту. Эта схема подойдет и для предварительной настройки колебательных контуров.

Когда схема включена, исправный резонатор станет способствовать генерации колебаний, и на эмиттере транзистора можно будет наблюдать переменное напряжение, частота которого будет соответствовать основной резонансной частоте тестируемого кварцевого резонатора.

Подключив к выходу пробника частотомер, пользователь сможет наблюдать эту резонансную частоту. Если частота стабильна, если небольшой нагрев резонатора поднесенным паяльником не приводит к сильному уплыванию частоты, то резонатор исправен. Если же генерации не будет, или частота будет плавать или окажется совсем другой, чем должна быть для тестируемого компонента, то резонатор неисправен, и его следует заменить.

Данный пробник удобен и для предварительной настройки колебательных контуров, в этом случае конденсатор C1 обязателен, хотя при проверке резонаторов его можно из схемы исключить. Контур просто подключается вместо резонатора, и схема начинает генерировать колебания аналогичным образом.

Пробник собранный по приведенной схеме замечательно работает на частотах от 15 до 20 МГц. Для иных диапазонов вы всегда можете поискать схемы в интернете, благо их там много, как на дискретных компонентах, так и на микросхеме.

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Факультет Интернет вещей

Вы сможете:

  • Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

  • Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

  • Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды…

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

Источник

Понравилась статья, поделитесь с другими!!!

➤

8 главных причин использовать осциллятор вместо кварцевого резонатора

Каждой электронной системе необходимо устройство синхронизации. И кристаллические (XTAL) резонаторы часто являются оптимальным решением. Однако генераторы, в которых резонатор и интегральная схема генератора объединены в одно полное интегрированное синхронизирующее устройство, имеют несколько преимуществ по сравнению с генераторами XTAL. Эти преимущества расширяются за счет технологии синхронизации MEMS. Разработчикам систем больше не нужно обходить ограничения XTAL и принимать головные боли и риски проектирования с использованием кристаллов.

1. Автоматические генераторы упрощают проектирование системы

На первый взгляд конструкция генератора с использованием кварцевых кристаллов может показаться простой, особенно с учетом зрелости этой технологии. Но существует множество конструктивных параметров, которые следует учитывать при согласовании кварца со схемой генератора. Среди этих параметров — импеданс кристалла, резонансный режим, уровень возбуждения и отрицательное сопротивление генератора, которое является мерой усиления генератора. Кроме того, для кварцев с параллельным резонансным режимом необходимо учитывать емкость нагрузки, и она должна учитывать паразитную емкость печатной платы и, возможно, встроенную емкость кристалла, включенную в схему генератора.

Все эти параметры необходимо тщательно учитывать, чтобы обеспечить надежный запуск и работу схемы. Поскольку схема генератора требует точного согласования резонатора со схемой генератора, поставщики кристаллов не могут гарантировать запуск кристалла. Напротив, осцилляторы представляют собой полностью интегрированное решение. Производитель генератора согласовывает кварцевый резонатор со схемой генератора, тем самым освобождая разработчика платы от этой нагрузки. Поскольку ошибки согласования устранены, SiTime гарантирует запуск генератора. Короче говоря, генераторы представляют собой готовое к работе решение, которое значительно упрощает проектирование системы.

Проблемы с конструкцией устранены с помощью генераторов MEMS

Импеданс кварца и отрицательное сопротивление генератора

Схема генератора должна иметь достаточное усиление и фазовый сдвиг, чтобы соответствовать критерию Баркгаузена для колебаний. Особое значение имеет импеданс движения (ESR) кристалла и отрицательное сопротивление (эквивалентное усилению) генератора. Если коэффициент усиления генератора недостаточен для преодоления импеданса кварцевого резонатора, схема может не запуститься. Эти проблемы устраняются с помощью осцилляторов.

Режим кварцевого резонанса, емкость подстройки частоты и емкость встроенного генератора

Кварцевые кристаллы могут резонировать как в последовательном, так и в параллельном резонансном режиме, но обычно они калибруются только для одного из этих двух режимов. Если они откалиброваны для параллельного резонанса, они требуют определенной емкости нагрузки, которая обычно указывается. Тем не менее, если не используется правильная емкость, погрешность частоты может превышать технические характеристики. ИС генератора может иметь или не иметь встроенную емкость микросхемы, которую необходимо учитывать вместе с любой паразитной емкостью от соединений печатной платы, соединительных проводов и выводного корпуса ИС генератора, чтобы обеспечить наилучшую точность частоты.

Генераторы MEMS, напротив, объединяют резонатор и ИС генератора/ФАПЧ в одном корпусе, что устраняет необходимость во внешнем конденсаторе для настройки резонансной частоты.

Уровень кварцевого резонатора

Необходимо следить за тем, чтобы цепь генератора не перегружала кварцевый резонатор. Перегрузка резонатора может привести к ускоренному старению кварцевого резонатора, а при экстремальных уровнях — к повреждению кварцевого резонатора. Напротив, резонаторы МЭМС не стареют.

2. Генераторы MEMS предлагают гораздо лучшее качество и надежность

Качество и надежность имеют решающее значение – на карту поставлена ​​не только репутация компании, но и доработка может быть дорогостоящей и трудоемкой. Кроме того, системы, которые размещаются на открытом воздухе и подвергаются воздействию окружающей среды, должны быть особенно прочными. Кварцевые резонаторы, хотя и являются зрелой технологией, включают довольно сложный производственный процесс, в котором каждый отдельный резонатор настраивается на желаемую частоту, обычно путем абляции металлического электрода ионным пучком. Этот шаг происходит до того, как кристалл будет инкапсулирован, и резонатор становится восприимчивым к загрязнению. Этот процесс, наряду с другими сложностями производства кварца, приводит к тому, что среднее время наработки на отказ (MTBF) кварца составляет всего от 14 до 38 миллионов часов. Количество дефектных деталей на миллион (DPPM) составляет до 50 для лучших производителей кварца и до 150 для поставщиков кварца уровня 2.

В отличие от специализированных процессов производства кварцевых кристаллов, производители МЭМС-генераторов используют стандартные полупроводниковые технологии пакетного режима. Это включает в себя производство резонаторов и интегральных схем генератора на уровне пластины, а также приклеивание кристаллов к стандартным выводным рамкам с пластиковой оболочкой. Резонаторный кристалл SiTime MEMS изготовлен из единой механической структуры из чистого кремния. При производстве SiTime MEMS используется процесс Epi-Seal для очистки резонатора, после чего наносится поликремний для герметизации структуры. Сверхчистое герметичное вакуумное уплотнение обеспечивает защиту структуры резонатора и отсутствие загрязнений, исключая механизмы старения.

В результате показатели DPPM и MTBF генераторов SiTime примерно в 30 раз выше, чем у кварцевых, что обеспечивает очень надежную технологическую платформу, которая выдерживает серьезные нагрузки окружающей среды и предоставляет конечному пользователю высококачественный продукт.

3. Низкочастотные генераторы MEMS занимают на плате на 65% меньше места.

Генераторы представляют собой полностью интегрированное решение и не требуют внешних компонентов, таких как развязывающие колпачки источника питания. Размер основания SiTime 1,5 мм x 0,8 мм (1508) меньше, чем у самого маленького кварцевого кристалла размером 1,6 мм x 1,2 мм. А с учетом нагрузочных конденсаторов, необходимых для кварцевого резонатора 32 кГц, общая площадь платы или решение XTAL более чем в три раза больше.

4. Генераторы могут управлять несколькими нагрузками, сокращая расходы, спецификацию и место на плате.

Генератор представляет собой активную схему с выходным драйвером, обычно способным управлять от 2 до 3 нагрузок в зависимости от мощности привода. Это позволяет генератору заменить несколько кристаллов и связанные с ними конденсаторы, что еще больше сокращает спецификацию, стоимость системы и площадь платы.

5. Генераторы MEMS гораздо менее чувствительны к электромагнитным помехам

Электромагнитная энергия, которая является обычной для большинства систем, может улавливаться открытыми дорожками печатной платы, которые соединяют кварцевый резонатор с ИС, содержащей схему генератора. Этот шум может быть включен в схему генератора и передан на выход, потенциально добавляя джиттер и шум в систему. Однако интегрированные генераторы не имеют открытых соединений на печатной плате между резонатором и ИС генератора, а соединительные провода или шарики, соединяющие резонатор МЭМС с ИС, очень короткие. Это делает генераторы MEMS гораздо менее чувствительными к электромагнитным помехам. Как показано в следующей таблице и на графике, генераторы SiTime менее чувствительны до 11,3 дБм (134x по линейной шкале), чем кварцевые резонаторы.

Это испытание было выполнено в соответствии со стандартом IEC 62132-2, согласно которому электромагнитная энергия подается в поперечную электромагнитную (TEM) ячейку, в которой установлено тестируемое устройство (DUT).

6. Генераторы MEMS намного менее чувствительны к вибрации

Некоторые системы, которым требуется очень стабильная частота, такие как беспроводные базовые станции и небольшие соты, могут испытывать сбои системы и перебои в обслуживании из-за вибрации.

МЭМС-генераторы устойчивы к вибрации, поскольку масса МЭМС-резонатора примерно в 1000–3000 раз меньше массы кварцевого резонатора. Это означает, что заданное ускорение, воздействующее на структуру МЭМС, например, от удара или вибрации, приведет к гораздо меньшей силе, чем его кварцевый эквивалент, и, следовательно, вызовет гораздо меньший сдвиг частоты. На рисунке на стр. 5 показано, что виброчувствительность МЭМС-генераторов SiTime более чем в 10 раз ниже (лучше) по сравнению с кварцевыми генераторами. Обратите внимание, что этот рисунок основан на измерениях кварцевых генераторов, а не пассивных кварцевых резонаторов, но сопоставимые результаты ожидаются и для кварцевых резонаторов.

7. Генераторы MEMS легко доступны на любой частоте

Инфраструктура снабжения кварцем имеет несколько ограничений, которые могут привести к длительным срокам поставки, порядка 12-16 недель или даже больше. Одним из ограничений является ограниченное количество поставщиков керамической упаковки. Еще одним ограничением является ограниченная доступность вариантов частот. В кварцевых изделиях для каждой частоты требуется разная огранка кристалла, если только не используется программируемая петля фазовой автоподстройки частоты (PLL). Таким образом, время выполнения заказов на нестандартные частоты может быть очень большим.

В отличие от кристаллических резонаторов, резонаторы MEMS основаны на стандартной конфигурации резонатора. Выходная частота генераторов MEMS генерируется путем программирования PLL на различные значения умножения. Это обеспечивает очень широкий диапазон частот с точностью до шести разрядов. Кроме того, кремниевые МЭМС-генераторы производятся с использованием стандартных полупроводниковых процессов и корпусов. Поскольку поставщики МЭМС-генераторов используют очень большую инфраструктуру полупроводниковой промышленности, возможности практически не ограничены.

Образцы генератора MEMS могут быть запрограммированы и доступны в течение одного дня, даже для нестандартных частот. Используя недорогой программатор SiTime Time Machine II и программируемые генераторы, разработчики могут мгновенно программировать генераторы в своей лаборатории для создания устройства с любой частотой, любым напряжением питания и любой стабильностью в пределах рабочего диапазона устройства. Срок изготовления всего от 6 до 8 недель.

8. Одна квалификация для всего семейства продуктов

Квалификация компонентов для условий конечного использования (системы) может потребовать значительного времени и ресурсов. Однако усилия по квалификации могут быть уменьшены с помощью осцилляторов MEMS. Продукты SiTime основаны на программируемой платформе, которая позволяет каждому устройству в базовом семействе продуктов генерировать широкий диапазон частот, напряжений питания и стабильности. Если, например, ресурсы были вложены в квалификацию устройства SiTime на определенной выходной частоте, а новый дизайн платы требует другой частоты, существующие квалификационные данные могут быть расширены до части с новой частотой.

Напротив, для каждой частоты XTAL требуется отдельная кварцевая заготовка. И если конструкция требует частот выше 60 МГц, часто используется другая технология, отличная от кварца основной моды. Кристаллы кварца третьего обертона часто используются для более высоких частот. Этот режим может создавать дополнительные проблемы для обеспечения надежного пуска (например, более высокое сопротивление движению и другую схему генератора, чем в основном режиме), что требует квалификации.

Краткая информация

Несмотря на присущие ей ограничения, кристаллы уже несколько десятилетий являются стандартом в электронной синхронизации. МЭМС-генераторы SiTime преодолевают эти ограничения и предлагают множество преимуществ по сравнению с традиционными резонаторами на кварцевом кристалле. Дизайнерам больше не нужно мириться с головной болью и ограничениями, связанными с XTAL.

8 главных причин заменить генераторы XTAL на генераторы MEMS:

  1. Генераторы работают по принципу «подключи и работай» — их гораздо проще проектировать, гарантированный запуск
  2. 30-кратное повышение качества и надежности – снижение стоимости, повышение надежности
  3. Меньшая упаковка и отсутствие/меньше крышек – уменьшает площадь печатной платы
  4. Управляет несколькими нагрузками, заменяя от 2 до 3 кварцевых кристаллов — снижает затраты, объем спецификаций и печатных плат
  5. До 134 раз более низкая чувствительность к электромагнитной энергии — более надежная
  6. Чувствительность к вибрации в 10 раз ниже — более прочный
  7. Доступно с любой периодичностью – очень короткие сроки поставки
  8. Один продукт MEMS охватывает большой диапазон частот — меньше усилий по квалификации

Этот документ нельзя просмотреть на мобильном устройстве или с расширенными функциями масштабирования экрана. Пожалуйста, загрузите документ.

Моделирование кристалла кварца | Аналоговые устройства