Принцип работы кварцевого генератора: Страница не найдена — Практическая электроника

Содержание

Кварцевые генераторы — CoderLessons.com

Всякий раз, когда генератор работает непрерывно, это влияет на его стабильность частоты . Там происходят изменения в его частоте. Основными факторами, которые влияют на частоту генератора, являются

  • Варианты питания
  • Изменения температуры
  • Изменения нагрузки или выходного сопротивления

В генераторах RC и LC значения сопротивления, емкости и индуктивности меняются в зависимости от температуры и, следовательно, на частоту влияют. Чтобы избежать этой проблемы, пьезоэлектрические кристаллы используются в генераторах.

Использование пьезоэлектрических кристаллов в параллельных резонансных контурах обеспечивает высокую стабильность частоты в генераторах. Такие генераторы называются Кристаллическими Осцилляторами .

Кварцевые генераторы

Принцип работы кварцевых генераторов зависит от пьезоэлектрического эффекта . Естественная форма кристалла шестиугольная. Когда кристаллическая пластина изогнута перпендикулярно оси X, она называется X-разрезом, а когда она разрезается вдоль оси Y, она называется Y-разрезом.

Кристалл, используемый в кварцевом генераторе, обладает свойством, называемым пьезоэлектрическим свойством. Итак, давайте разберемся с пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрический эффект

Кристалл проявляет свойство, заключающееся в том, что когда механическое напряжение прикладывается к одной из граней кристалла, разность потенциалов развивается на противоположных гранях кристалла. И наоборот, когда разность потенциалов прикладывается к одной из граней, вдоль других граней создается механическое напряжение. Это известно как пьезоэлектрический эффект .

Некоторые кристаллические материалы, такие как соль Рошеля, кварц и турмалин, обладают пьезоэлектрическим эффектом, и такие материалы называются пьезоэлектрическими кристаллами . Кварц является наиболее часто используемым пьезоэлектрическим кристаллом, потому что он недорог и легко доступен в природе.

Когда пьезоэлектрический кристалл подвергается воздействию переменного потенциала, он вибрирует механически. Амплитуда механических колебаний становится максимальной, когда частота переменного напряжения равна собственной частоте кристалла.

Работа кварцевого кристалла

Чтобы заставить кристалл работать в электронной схеме, кристалл помещают между двумя металлическими пластинами в форме конденсатора. Кварц является наиболее часто используемым типом кристаллов из-за его доступности и сильной природы, будучи недорогим. Переменное напряжение подается параллельно кристаллу.

Схема расположения кварцевого кристалла будет такой, как показано ниже —

Если подается переменное напряжение, кристалл начинает вибрировать с частотой приложенного напряжения. Однако, если частота приложенного напряжения сделана равной собственной частоте кристалла, возникает резонанс, и колебания кристалла достигают максимального значения. Эта собственная частота почти постоянна.

Эквивалентная схема кристалла

Если мы попытаемся представить кристалл эквивалентной электрической цепью, мы должны рассмотреть два случая: когда он вибрирует, а когда нет. Цифры ниже представляют символ и электрическую эквивалентную схему кристалла соответственно.

Вышеупомянутая эквивалентная схема состоит из последовательной RLC-схемы, параллельной емкости C m . Когда кристалл, установленный на источнике переменного тока, не вибрирует, он эквивалентен емкости C m . Когда кристалл вибрирует, он действует как настроенная схема RLC.

Частотный отклик

Частотная характеристика кристалла показана ниже. График показывает реактивное сопротивление (X L или X C ) в зависимости от частоты (f). Очевидно, что кристалл имеет две близко расположенные резонансные частоты.

Первая — это последовательная резонансная частота (f s ), которая возникает, когда реактивное сопротивление индуктивности (L) равно реактивному сопротивлению емкости C. В этом случае полное сопротивление эквивалентной цепи равно сопротивлению R и частота колебаний определяется соотношением,

f= frac12 pi sqrtLC

Вторая — это параллельная резонансная частота (f p ), которая возникает, когда реактивное сопротивление ветви RLC равно реактивному сопротивлению конденсатора C m . На этой частоте кристалл обеспечивает очень высокое сопротивление внешней цепи, и частота колебаний определяется соотношением.

fp= frac12 pi sqrtL.CT

куда

CT= fracCCm(C+Cm)

Значение C m обычно очень велико по сравнению с C. Следовательно, значение C T приблизительно равно C, и, следовательно, последовательная резонансная частота приблизительно равна параллельной резонансной частоте (то есть f s = f p ).

Схема кварцевого генератора

Схема кварцевого генератора может быть сконструирована несколькими способами, такими как кварцевый генератор, управляемый кристаллом, кварцевый генератор Колпитса, кварцевый генератор Клэпа и т. Д. Но

транзисторный кварцевый генератор с пирсингом является наиболее часто используемым. Это схема, которая обычно называется схемой кварцевого генератора.

Следующая принципиальная схема показывает расположение транзисторного кварцевого генератора.

В этой схеме кристалл соединен как последовательный элемент на пути обратной связи от коллектора к основанию. Резисторы R 1 , R 2 и R E обеспечивают цепь стабилизированного постоянного напряжения делителя напряжения. Конденсатор C E обеспечивает байпас переменного тока эмиттерного резистора, а RFC (радиочастотный дроссель) катушка обеспечивает смещение постоянного тока, в то же время отделяя любой сигнал переменного тока на линиях электропередачи от воздействия на выходной сигнал. Конденсатор связи С имеет незначительное полное сопротивление на рабочей частоте цепи. Но он блокирует любой постоянный ток между коллектором и базой.

Частота колебаний схемы задается последовательной резонансной частотой кристалла, а ее значение определяется соотношением,

fo= frac12 pi sqrtLC

Можно отметить, что изменения напряжения питания, параметров транзисторного устройства и т. Д. Не влияют на рабочую частоту схемы, которая поддерживается кристаллом стабильно.

преимущества

Преимущества кварцевого генератора следующие:

  • Они имеют высокий порядок стабильности частоты.
  • Коэффициент качества (Q) кристалла очень высок.

Недостатки

Недостатками кварцевого генератора являются:

  • Они хрупкие и могут использоваться в цепях малой мощности.
  • Частота колебаний не может быть существенно изменена.

Стабильность частоты генератора

Ожидается, что генератор будет поддерживать свою частоту в течение более длительного периода времени без каких-либо изменений, чтобы иметь более плавный чистый синусоидальный выход для работы схемы. Следовательно, термин «стабильность частоты» действительно имеет большое значение, когда речь идет о генераторах, будь то синусоидальные или несинусоидальные.

Стабильность частоты генератора определяется как способность генератора поддерживать необходимую частоту постоянной в течение длительного интервала времени, насколько это возможно. Попробуем обсудить факторы, влияющие на эту стабильность частоты.

Изменение в рабочей точке

Мы уже познакомились с параметрами транзистора и узнали, насколько важна рабочая точка. Стабильность этой рабочей точки для транзистора, используемого в схеме усиления (BJT или FET), имеет большее значение.

Работа используемого активного устройства регулируется так, чтобы соответствовать линейной части его характеристик. Эта точка сдвигается из-за колебаний температуры, и, следовательно, это влияет на стабильность.

Изменение температуры

Цепь бака в цепи генератора содержит различные компоненты, определяющие частоту, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Все их параметры зависят от температуры. Из-за изменения температуры на их значения влияют. Это приводит к изменению частоты контура генератора.

Из-за питания

Изменения в подаваемой мощности также влияют на частоту. Изменения источника питания приводят к изменениям в V cc . Это повлияет на частоту производимых колебаний.

Во избежание этого внедрена система регулируемого энергоснабжения. Вкратце это называется RPS. Детали регулируемого электропитания были четко обсуждены в разделе электропитания учебного пособия по электронным схемам.

Изменение выходной нагрузки

Изменения выходного сопротивления или выходной нагрузки также влияют на частоту генератора. Когда нагрузка подключена, эффективное сопротивление цепи бака изменяется. В результате добротность LC настроенной схемы изменяется. Это приводит к изменению выходной частоты генератора.

Изменения в межэлементных емкостях

Межэлементные емкости — это емкости, которые развиваются в материалах PN-перехода, таких как диоды и транзисторы. Они разработаны из-за заряда, присутствующего в них во время их работы.

Межэлементные конденсаторы претерпевают изменения по различным причинам, таким как температура, напряжение и т. Д. Эта проблема может быть решена путем подключения затухающего конденсатора через неисправный межэлементный конденсатор.

Значение Q

Значение Q (добротность) должно быть высоким в генераторах. Значение Q в настроенных генераторах определяет селективность. Поскольку этот Q прямо пропорционален стабильности частоты настроенной цепи, значение Q должно поддерживаться на высоком уровне.

Стабильность частоты может быть математически представлена ​​как

Sw=d theta/dw

Где dθ — сдвиг фазы, введенный для небольшого изменения частоты номинальной частоты f r . Схема, дающая большее значение (dθ / dw), имеет более стабильную частоту колебаний.

Кварцевые генераторы


Кварцевые генераторы

  Относительная нестабильность частоты автогенераторов, выполняемых на резонаторах в виде LC-контуров, обычно не ниже 10-3…10-4. Стабильность частоты генератора существенно зависит от добротности и стабильности колебательной системы. Добротность LC-контура обычно не выше 200…300. К современным радиопередатчикам и приемникам предъявляются более высокие требования по стабильности частоты. Обычно требуется долговременная относительная нестабильность частоты не хуже чем 10-6…10-8, что можно обеспечить, применяя кварцевые резонаторы. Добротность кварцевых резонаторов во много раз превышает добротность резонаторов на LC-контурах и составляет 104…106.

  Существует много схем кварцевых автогенераторов. Поэтому возникла необходимость рассмотреть наиболее часто применяемые на практике схемы. Общепринятая эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена на рис.1. Динамическая индуктивность Ls, динамическая емкость Cs и сопротивление потерь Rs обусловлены наличием прямого и обратного пьезоэффекта и резонансными свойствами пьезоэлемента. Параллельная емкость Ср обусловлена межэлектродной емкостью пьезоэлектрика, емкостью корпуса и монтажа. Резонансная частота динамической ветви называется частотой последовательного резонанса кварцевого резонатора Fs. Добротность кварцевого резонатора Q определяется динамической ветвью в соответствии с формулой для последовательного колебательного контура

Q =(2pFsLs)/Rs

  Частота параллельного резонанса Fp несколько выше Fs, что обусловлено параллельным резонансом Ср, Cs и Ls. Важным параметром кварцевого резонатора является отношение его параллельной емкости к динамической, обозначаемое г и называемое емкостным коэффициентом r=Cc/Cs

  По разным литературным источникам, емкостной коэффициент для АТ-среза кварца равен 220…250. Учитывая, что Cs/Cp<0,1, можно пользоваться приближенным выражением для частоты параллельного резонанса Fp=Fs(1+(Cs/2Cp)). Для емкостного коэффициента г>25 резонансный интервал, определяемый как разность между частотами параллельного и последовательного резонансов кварцевого резонатора, можно записать в виде dF=Fs/2r. На механических гармониках кварцевого резонатора резонансный интервал уменьшается и определяется выражением dFn=Fs/(2rn2), где n — номер гармоники.

  Емкостной коэффициент определяет величину резонансного промежутка резонатора, следовательно, девиацию частоты управляемого кварцевого генератора, стабильность частоты при изменении параметров схемы, условия возникновения и поддержания колебаний в схеме кварцевого автогенератора. Для оценки способности кварцевого резонатора возбуждаться, в некоторых схемах кварцевых генераторов используют параметр, называемый фактором качества. Он определяется как отношение добротности резонатора к его емкостному коэффициенту м=Q/r.

  Для кварцевых резонаторов значения М лежат в пределах от 1 до 10000. При М<2 реактивное сопротивление резонатора оказывается положительным (емкостным) и не имеет области индуктивной реакции. Следовательно, возбуждение такого резонатора в схемах кварцевых генераторов, требующих индуктивной реакции, становится невозможным. При М>2 резонатор имеет область индуктивной реакции, и чем больше значение М, тем эта область шире. На практике шире всего распространены два вида кварцевых генераторов: а) генераторы, в которых кварцевый резонатор является частью колебательного контура и эквивалентен индуктивности; б) генераторы, в которых кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи, используется как узкополосный фильтр и эквивалентен активному сопротивлению.

  Кварцевые генераторы, в которых кварцевый резонатор используется в качестве элемента контура с индуктивной реакций, называют осцилляторными, а генераторы, в которых кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи, называют генераторами последовательного резонанса.

  Осцилляторная схема кварцевого генератора с кварцем между коллектором и базой, выполненная по схеме с заземленным эмиттером (емкостная трехточка) приведена на рис.2.

  В настоящее время емкостная трехточка находит широкое применение в диапазоне частот до 22 МГц при работе резонатора на основной частоте, и до 66 МГц при возбуждении на третьей механической гармонике (рис.3). Автогенератор с кварцевым резонатором между коллектором и базой в схеме с заземленным по высокой частоте эмиттером, не склонен к паразитным колебаниям на ангармонических обертонах, имеет превосходную стабильность частоты при изменении питающего напряжения и температуры окружающей среды.

  Влияние изменений реактивных параметров транзистора, зависящих от напряжения питания и времени,ослабляется с ростом емкостей С1, СЗ (рис.2), т.е. с приближением рабочей частоты автогенератора к Fg. Однако чрезмерное увеличение емкостей приводит к ухудшению условий самовозбуждения. С другой стороны, с увеличением емкостей растет рассеиваемая на резонаторе мощность, что ведет к увеличению нестабильности генерируемой частоты. По техническим условиям рассеиваемая мощность на кварце ограничена 1…2 мВт. Однако в диапазоне частот 1…22 МГц при такой рассеиваемой мощности частота последовательного резонанса зависит от рассеиваемой мощности, а коэффициент пропорциональности составляет (0,5…2) •10-9 Гц/мкВт, поэтому для высокостабильных генераторов рассеиваемую мощность на резонаторе следует ограничить величиной 0,1…0,2 мВт.

  На практике рекомендуется выбирать емкости С1, СЗ так, чтобы частота генерации отстояла от Fs не более чем на четверть резонансного интервала. При возбуждении кварцевого резонатора на нечетных механических гармониках кварца, вместо резистора R3 включают катушку индуктивности Lк (рис.3). На частоте генерации контур Lк-С4 должен иметь емкостное сопротивление, т.е. его резонансная частота должна быть ниже частоты генерации. Параметры контура следует выбирать так, чтобы его собственная частота составляла 0,7…0,8 от частоты генерации. В результате контур имеет емкостную проводимость на частоте необходимой гармоники, что исключает возможность генерации на низших гармониках и основной частоте.

  В осцилляторных генераторах, работающих на частоте выше 22 МГц, резонатор обычно возбуждают на 3-й или 5-й гармонике, но не на более высоких, так как сильно сказывается влияние параллельной емкости. Чаще чем приведенная на рис.2, применяется емкостная трехточечная схема кварцевого генератора с кварцевым резонатором между коллектором и базой в схеме включения транзистора с заземленным коллектором (рис.4). Эта схема особенно удобна для генераторов с электронной перестройкой частоты (при включении последовательно с кварцем варикапа), и имеет меньшее количество блокировочных элементов, чем схема с заземленным эмиттером. Многие специалисты в области кварцевых генераторов считают емкостную трехточку наилучшей из всех схем кварцевых генераторов, работающих на основной или 3-й механической гармонике резонатора. Следует отметить, что существует схема емкостной трехточки, не содержащая индуктивности, которая возбуждается на 3-й и 5-й гармониках.

  
Puc.4Puc.5

  Автогенератор с кварцем в контуре. Если в схеме на рис.4 последовательно с кварцем включить катушку индуктивности L1, это приведет к появлению новых свойств, т.е. в генераторе (рис.5) возможны автоколебания, не стабилизированные кварцевым резонатором. На высоких частотах, где реактивное сопротивление параллельной емкости резонатора меньше реактивного сопротивления динамической ветви кварцевого резонатора, возможно самовозбуждение через параллельную емкость Ср. Наличие индуктивности L1 означает возможность выполнения баланса фаз на

  частоте последовательного резонанса, а также в некоторой области расстроек ниже частоты последовательного резонанса. Индуктивность L1 обеспечивает выполнение баланса фаз в условиях, когда М<2, и эквивалентное реактивное сопротивление кварца не может иметь индуктивный характер. Это значит, что генератор с кварцем в контуре может работать на более высоких частотах и более высоких номерах механических гармоник кварцевого резонатора. Для исключения паразитного самовозбуждения через параллельную емкость Ср, которое наиболее вероятно на высоких частотах и на высших механических гармониках, параллельно резонатору включают резистор R1, который вносит потери в контур паразитного самовозбуждения.

  Снизить требования к активности кварцевого резонатора на механических гармониках можно при использовании схем генераторов последовательного резонанса. Так как при повышении частоты и номера гармоники активность кварцевого резонатора уменьшается из-за увеличения его эквивалентного сопротивления и повышения шунтирующего влияния статической (параллельной) емкости Ср, необходимо ее нейтрализовать или компенсировать. Нейтрализацию можно осуществить в мостовой схеме, где кварц помещают в одно из плеч сбалансированного моста.

  Мостовой автогенератор последовательного резонанса. В схеме, приведенной на рис.6, при точном балансе моста (Ср=С2, ХL1-2=ХL2-3) обратная связь осуществляется только через динамическую ветвь резонатора. На механической гармонике кварцевого резонатора резко возрастает проводимость последовательной ветви резонатора, мост разбалансируется, и при соответствующем выборе элементов схемы генератор возбуждается. Контур L1-C3 должен быть настроен на частоту требуемой гармоники.


Puc.6

  В этой схеме удается возбудить кварцевые резонаторы на 5-й или 7-й гармониках. Схемы с нейтрализацией статической емкости резонатора весьма критичны к режиму работы и сложны в регулировке, хотя их можно применять на частотах до 100 МГц. Верхний предел частот генератора с нейтрализацией обусловлен трудностью получения большого эквивалентного сопротивления контура с ростом частоты, так как начальную емкость контура нельзя сделать малой из-за паразитных емкостей.

  Схема Батлера (рис.7) характеризуется наибольшей устойчивостью к дестабилизирующим факторам в диапазоне до 100 МГц. Верхний предел генерируемых частот обусловлен ухудшением свойств эмиттерного повторителя. В схеме Батлера кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи между эмиттерами транзисторов. Транзистор VT1 включен по схеме с общим коллектором, а транзистор VT2 — с общей базой. Недостатком этой схемы является склонность к паразитному самовозбуждению из-за связи выхода со входом через параллельную емкость кварца Ср. Для устранения этого явления параллельно кварцу подключают катушку индуктивности, образующую совместно с параллельной емкостью кварца резонансный контур, настраиваемый на частоту паразитного колебания.


Puc.7

  Автогенератор по схеме Батлера на одном транзисторе с компенсацией Ср. На частотах до 300 МГц целесообразно применять однокаскадные схемы фильтров, например, схему фильтра с общей базой (рис.8). По существу, такой автогенератор представляет собой однокаскадный усилитель, в котором контур соединен с эмиттером биполярного транзистора через кварцевый резонатор, выполняющий роль узкополосного фильтра. Контур, образованный параллельной емкостью кварца Ср и катушкой L2, настраивают на частоту используемой гармоники. С увеличением рабочей частоты возрастают эквивалентные проводимости транзистора, т.е. выполнение условий самовозбуждения ухудшается. Однако, несмотря на это, условия самовозбуждения этого автогенератора на высоких частотах выполняются легче, чем автогенераторов с кварцем между коллектором и базой и кварцем в контуре, что определяет его преимущество.


Puc.8

  В заключение необходимо отметить, что рассмотренные схемы кварцевых генераторов не исчерпывают всего многообразия схем генераторов, стабилизированных кварцевым резонатором, и на выбор схемы решающее влияние оказывают наличие кварцевых резонаторов с необходимыми эквивалентными параметрами, требования к выходной мощности, к мощности, рассеиваемой на резонаторе, долговременной стабильности частоты и др.

  Немного о резонаторах. При выборе резонатора для генератора особое внимание следует обращать на добротность резонатора — чем она выше, тем стабильнее частота. Наибольшей добротностью обладают вакуумированные резонаторы. Но чем добротнее резонатор, тем он дороже. Часто встречаются резонаторы с большим уровнем побочных резонансов.

  В СССР, кроме резонаторов из кварца, выпускались резонаторы из ниобата лития (с маркировкой РН или РМ), танталата лития (с маркировкой РТ) и из других пьезоэлектриков. Так как эквивалентные параметры таких резонаторов отличаются от параметров кварцевых резонаторов, они могут не возбуждаться в схемах, в которых отлично работают кварцы, хотя частота, маркированная на корпусе, может быть одинаковой. У них могут быть хуже стабильность частоты и точность настройки. Предприятия СССР, как правило, выпускали кварцевые резонаторы с основной частотой до 20…22 МГц, а выше — на механических гармониках. Это связано с устаревшей технологией обработки кварцевых пластин. Зарубежные предприятия выпускают кварцы с основной частотой 35 МГц. Ведущие зарубежные фирмы выпускают резонаторы в виде так называемой обратной мезаструктуры, работающие на объемных колебаниях сдвига по толщине, у которых частота первой гармоники достигает 250 МГц! Используя такие кварцевые резонаторы в схемах генераторов, в которых в качестве колебательных систем применяются системы с распределенными параметрами индуктивности и емкости, можно получить высокостабильные колебания вплоть до частоты 750 МГц без умножения частоты!

О.БЕЛОУСОВ
г. Ватутино, Черкасской обл.
РЛ №6,7/2000

Источник: shems.h2.ru

Выбор типа тактового генератора | others

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

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

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

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

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

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

Voltage-Controlled Crystal Oscillator

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

Temperature warming Crystal Oscillator

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

Oven Controlled Crystal Oscillator

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

Simple Crystal Oscillator

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

Digital Temperature Compensation Crystal Oscillator

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

Crystal Filter

Фильтрующий по частоте элемент, построенный на основе кварца.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

[Ссылки]

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

Кварцевый резонатор-структура, принцип работы, как проверить

Резонатором называют систему способную на колебательные движения с максимальной амплитудой при определённых условиях. Кварцевый резонатор — пластина из кварца, обычно в форме параллелепипеда, действует так при подаче переменного тока (частота для разных пластин различна). Рабочую частоту этой детали определяет её толщина. Зависимость здесь обратная. Наибольшую частоту (не превышающую при том 50 МГц) имеют самые тонкие пластины.

В редких случаях можно добиться частоты в 200 МГц. Это допустимо только при работе на обертоне (неосновной частоте, превышающей основной показатель). Специальные фильтры способны погасить основную частоту кварцевой пластины и выделить кратную ей обертоновую.

Для работы подходят только нечётные гармоники (другое название обертонов). К тому же, при их использовании показания по частоте увеличиваются на более низких амплитудах. Обычно максимальным становится девятикратное уменьшение высоты волны. Далее засечь изменения становится затруднительно.

Кварц относится к диэлектрикам. В комбинации с парой металлических электродов он превращается в конденсатор, но его ёмкость мала и нет смысла её замерять. На схеме эта деталь отображается как кристаллический прямоугольник между пластинами конденсатора. Кварцевой пластине, как и иным упругим телам, свойственно наличие собственной резонансной частоты, зависящей от её размера. Пластины малой толщины имеют более высокую резонансную частоту. Как итог: необходимо лишь выбрать пластину с такими параметрами, при которых частота механических колебаний совпадала бы с приложенной к пластине частотой переменного напряжения. Кварцевая пластина, пригодна только при использовании переменного тока, поскольку постоянный ток может спровоцировать лишь единичное сжатие или разжатие.

В результате очевидно, что кварц является весьма простой резонансной системой (со всеми свойствами, присущими для колебательных контуров), но это вовсе не снижает качество его работы.

Кварцевый резонатор является даже более действенным. Показатель добротности у него составляет 105 — 107. Резонаторы из кварца увеличивают общий срок службы конденсатора за счёт своей температурной устойчивости, долговечности и технологичности. Удобства в применении добавляют и небольшие размеры деталей. Но самое главное достоинство — способность обеспечивать стабильную частоту.

К числу минусов относят лишь узость диапазона сонастройки имеющейся частоты с частотой внешних элементов.

В любом случае, кварцевые резонаторы весьма популярны, и используются в часах, многочисленной радиоэлектронике и иных приборах. В некоторых странах кварцевые пластины устанавливаются прямо на тротуарах, а люди продуцируют энергию просто ходя туда и обратно.

Принцип работы

Функции кварцевого резонатора обеспечиваются пьезоэлектрическим эффектом. Данное явление провоцирует возникновение электрического заряда в случае, если происходит механическая деформация некоторых типов кристаллов (из природных сюда относят кварц и турмалин). Сила заряда при этом находится в прямой зависимости от силы деформации. Это называют прямым пьезоэлектрическим эффектом. Суть обратного пьезоэлектрического эффекта заключается в том, что если на кристалл воздействовать электрическим полем, он будет деформироваться.

Проверка работоспособности

Существует несколько несложных методов проверки состояния кварца в механизме. Вот пара из них:

  1.  Чтобы достаточно точно определить состояние резонатора, потребуется подсоединить к генератору на выход осцилограф или частометр. Требуемые данные можно будет вычислить при помощи фигур Лиссажу. Однако, при подобных обстоятельствах возможно непреднамеренное возбуждение колебательных движений кварца как на обертонических, так и на основных частотах. Это может создавать неточность замеров. Такой метод может быть использован в диапазоне от 1 до 10 МГц.
  2.  Частота работы генератора зависит от кварцевого резонатора. При подаче энергии генератор продуцирует импульсы, совпадающие с частотой основного резонанса. Череда этих импульсов пропускается через конденсатор, который отсеивает постоянный компонент, оставляя только обертоны, а сами импульсы передаются аналоговому частометру. Его легко можно сконструировать из двух диодов, конденсатора, резистора и микроамперметра. В зависимости от показаний по частоте будет изменяться и напряжение на конденсаторе. Данный метод тоже не отличается точностью и может применятся только в диапазоне от 3 до 10 МГц.

В целом, достоверную проверку кварцевых резонаторов можно осуществлять только при их замене. Да и подозревать поломку резонатора в механизме стоит только в самом крайнем случае. Хотя к портативной электронике, подверженной частым падениям, это не относится.

Похожее

Схема включения кварцевого генератора

Трехточечные кварцевые генераторы

Среди радиолюбителей, занимающихся конструированием миниатюрных транзисторных радиопередатчиков и радиомикрофонов весьма популярны схемотехнические решения кварцевых ВЧ-генераторов с трехточечным включением резонансного контура. В таких генераторах, как и в трехточечных LC-генераторах, подключение резонансного контура к активному элементу осуществляется в трех точках. При этом, в зависимости от схемы включения по переменному току транзистора активного элемента кварцевого трехточечного генератора возможны три основных варианта включения как индуктивной, так и емкостной трехточек: по схеме с общей базой, по схеме с общим эмиттером и по схеме с общим коллектором.

Кварцевый резонатор используется в трехточечных генераторах в качестве элемента с индуктивным характером реактивного сопротивления. Поэтому при выборе схемы генератора с емкостным делителем в цепи обратной связи (емкостная трехточка) можно добиться выполнения условий самовозбуждения без использования катушки индуктивности.

В настоящее время в миниатюрных транзисторных передатчиках чаще всего используются три типа трехточечных кварцевых генераторов, выполненных с использованием емкостного делителя в цепи ПОС. Главное отличие этих схемотехнических решений, называемых по именам их изобретателей, заключается в способе включения транзистора активного элемента по переменному току. В емкостной трехточке по схеме Пирса транзистор включен по схеме с общим эмиттером, в емкостной трехточке по схеме Колпитца – с общим коллектором, а в емкостной трехточке по схеме Клаппа – с общей базой. Упрощенные принципиальные схемы трехточечных кварцевых генераторов указанных типов приведены на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Упрощенные принципиальные схемы кварцевых емкостных трехточек по схеме Пирса (а), по схеме Колпитца (б) и по схеме Клаппа (в)

Весьма интересным представляется схемотехническое решение емкостной трехточки с включением кварцевого резонатора между базой и коллектором транзистора активного элемента (рис. 3.13а). Его впервые предложил американский изобретатель Джордж Пирс (Pierce), поэтому часто такая схема генератора называется схемой Пирса. Принципиальная схема высокочастотного кварцевого генератора по схеме Пирса, выполненного на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, приведена на рис. 3.14. Частота генерируемого сигнала составляет 1 МГц.

Рис. 3.14. Принципиальная схема трехточечного кварцевого генератора по схеме Пирса с частотой 1 МГц

В рассматриваемой схеме активный элемент выполнен на биполярном транзисторе VT1, который по переменному току включен по схеме с общим эмиттером. Стабилизация рабочей точки транзистора обеспечивается с помощью цепи ООС, а режим работы транзистора VT1 по постоянному току определяется величиной сопротивления резистора R1. Особенностью данной схемы является включение кварцевого резонатора BQ1 между базой и коллектором транзистора, то есть в цепи отрицательной обратной связи. При этом значение частоты генерируемых колебаний рекомендуется выбирать немного ниже частоты параллельного резонанса.

При изменении параметров конденсаторов С1 и С2 в данном генераторе можно использовать кварцевые резонаторы с большей частотой. Например, для частот от 10 МГц до 30 МГц емкость этих конденсаторов должна составлять 27 пФ. Соответственно следует уменьшить и индуктивность дроссельной катушки L1.

Отличительной особенностью кварцевых генераторов, выполненных по схеме Пирса, является сравнительно высокая стабильность частоты генерируемого высокочастотного сигнала, поскольку на добротность кварцевого резонатора параметры подключаемых к нему элементов практически не оказывают заметного влияния. В то же время амплитуда выходного сигнала в значительной мере зависит от стабильности положения рабочей точки транзистора. Поэтому нередко используются схемотехнические решения, в которых для стабилизации положения рабочей точки транзистора активного элемента применена и так называемая классическая мостовая схема.

Принципиальная схема высокочастотного кварцевого генератора по схеме Пирса с использованием классической схемы стабилизации положения рабочей точки транзистора, приведена на рис. 3.15. В данном случае частота генерируемого сигнала может составлять от 1 МГц до 3 МГц.

Рис. 3.15. Принципиальная схема кварцевого трехточечного генератора по схеме Пирса с частотой от 1 МГц до 3 МГц

Как и в рассмотренной ранее схеме активный элемент генератора выполнен на биполярном транзисторе VT1, который по переменному току включен по схеме с общим эмиттером. Однако в данной схеме положение рабочей точки транзистора VT1 определяется соотношением величин сопротивлений резисторов R1 и R2, образующих делитель напряжения в цепи базы транзистора. В состав мостовой схемы стабилизации положения рабочей точки в данном случае помимо резисторов R1 и R2 входит резистор R3, включенный в цепи эмиттера транзистора VT1. По высокой частоте резистор R3 образует цепь положительной обратной связи, глубина которой уменьшается подключением конденсатора С3. Таким образом, стабилизация положения рабочей точки обеспечивается использованием цепи отрицательной обратной связи по току за счет подключения резистора R3 и конденсатора С3 в цепь эмиттера транзистора VT1. Более подробно принцип действия такой цепи ООС был рассмотрен в соответствующем разделе одной из предыдущих глав.

Для того, чтобы каскад начал работать в режиме генерации колебаний, необходимо обеспечить сдвиг фазы между выходом и входом активного элемента на 180°. Выполнение этого условия обеспечивается соответствующим включением конденсаторов С2, С4 и С5. Емкости конденсаторов С2 и С4 следует выбирать максимально возможными, однако их величины ограничены возможностями транзистора VT1 по обеспечению самовозбуждения каскада. Поэтому в данной конструкции рекомендуется применять транзистор с максимальным усилением по току. Напомним, что рассматриваемое схемотехническое решение основано на использовании индуктивной составляющей комплексного сопротивления кварцевого резонатора BQ1, который работает в режиме, близком к режиму параллельного резонанса. Резонансную частоту в незначительных пределах можно регулировать с помощью подстроечного конденсатора С1, который включен последовательно с кварцевым резонатором BQ1.

На конденсаторах С4 и С5 собран емкостной делитель, с которого снимается выходной сигнал. Входное комплексное сопротивление активного элемента генератора определяется величиной емкости конденсатора С2, а выходное – емкостями конденсаторов С4 и С5. Емкость конденсатора С5 сравнительно велика, поэтому его емкостным сопротивлением в данном случае можно пренебречь. Этот конденсатор обеспечивает благоприятные условия для снятия выходного сигнала с коллектора транзистора VT1.

Необходимо отметить, что в случае, если напряжение источника питания достаточно велико, высокочастотный дроссель L1 в цепи коллектора транзистора можно заменить обычным резистором.

Данное схемотехническое решение практически без каких-либо изменений можно использовать при построении генератора с более высокой рабочей частотой. Например, при использовании кварцевого резонатора BQ1, имеющего частоту от 3 МГц до 10 МГц емкость конденсатора С1 должна быть уменьшена до 330 пФ, емкость конденсатора С2 – до 150 пФ, а емкость конденсатора С4 – до 1500 пФ. При использовании кварцевого резонатора BQ1, имеющего частоту от 10 МГц до 30 МГц емкость конденсатора С1 должна быть уменьшена до 180 пФ, емкость конденсатора С2 – до 47 пФ, а емкость конденсатора С4 – до 330 пФ.

Для получения более высоких значений частот сигнала используются схемотехнические решения так называемых гармониковых генераторов по схеме Пирса, в которых частота генерации представляет собой одну из нечетных гармоник частоты кварцевого резонатора. Чаще всего это третья, пятая или седьмая гармоники. Однако рассмотрение таких схем выходит за рамки данной книги.

Генераторы Пирса вполне заслуженно считаются генераторами с наилучшей кратковременной стабильностью частоты. Однако недостатком таких схем является сравнительная сложность. К тому же особое внимание следует уделять качественной стабилизации базового тока транзистора. Недостатком генераторов по схеме Пирса можно считать и то, что ни один из выводов кварцевого резонатора не подключен к шине корпуса.

При разработке транзисторных микропередатчиков и радиомикрофонов нередко используется схемотехническое решение трехточечного кварцевого генератора, в котором транзистор активного элемента по переменному току включен по схеме с общим коллектором. При этом кварцевый резонатор, имеющий индуктивный характер реактивного сопротивления, входит в состав параллельного резонансного контура в качестве индуктивной ветви. Емкостная ветвь этого контура образована двумя включенными последовательно конденсаторами, в точку соединения которых подается сигнал с выхода активного элемента (рис. 3.13б). В результате конденсаторы образуют емкостной делитель в цепи положительной обратной связи, поэтому такую схему кварцевого генератора часто называют схемой Колпитца. Принципиальная схема кварцевого трехточечного генератора по схеме Колпитца приведена на рис. 3.16. Частота генерируемого сигнала может составлять от 10 МГц до 25 МГц при выходном эффективном напряжении от 200 мВ до 300 мВ.

Рис. 3.16. Принципиальная схема кварцевого трехточечного генератора по схеме Колпитца с частотой от 10 МГц до 25 МГц

В рассматриваемой конструкции транзистор VТ1 по постоянному току включен по схеме с общим эмиттером. При этом положение рабочей точки транзистора определяется величиной сопротивлений резисторов R1 и R2, образующих делитель напряжения. По переменному току транзистор VТ1 включен по схеме с общим коллектором, поскольку по высокой частоте его коллектор заземлен через конденсатор С5 сравнительно большой емкости.

Высокочастотные колебания возникают в колебательном контуре, включенном по переменному току между базой транзистора VТ1 и шиной корпуса. Резонансный контур образован кварцевым резонатором BQ1 и конденсаторами С1, С2, С3 и С4. Сигнал, сформированный в эмиттерной цепи транзистора VТ1, то есть на выходе активного элемента, подается на емкостной делитель, образованный конденсаторами С3 и С4, входящий в состав резонансного контура. Снимаемое с емкостного делителя напряжение подается во входную цепь активного элемента, а именно на базу транзистора VТ1, в результате чего каскад оказывается охваченным положительной обратной связью. Величина напряжения ОС, и, соответственно, глубина обратной связи, определяется соотношением величин емкостей конденсаторов С3 и С4.

Необходимо отметить, что при стабилизации положения рабочей точки транзистора VT1 указанным способом, то есть с помощью мостовой схемы, в состав которой входят резисторы R1, R2 и R4, резисторный делитель оказывает заметное влияние на добротность кварцевого резонатора BQ1. Это влияние объясняется тем, что при сравнительно высоком входном сопротивлении транзистора элементы указанного делителя выступают в качестве дополнительной нагрузки пьезоэлектрического элемента. В результате уменьшение добротности кварцевого резонатора может привести к ухудшению параметров всего каскада. Решить данную проблему можно либо выбором возможно больших величин сопротивлений резисторов делителя, либо применением более простых схем стабилизации положения рабочей точки транзистора (без резисторного делителя). Однако во втором случае, скорее всего, стабильность положения рабочей точки будет хуже.

Емкость конденсаторов С3 и С4, которые используются в емкостном делителе, следует выбирать возможно большей, особенно если в качестве активного элемента каскада применяется транзистор с менее качественными высокочастотными параметрами. При этом емкость конденсатора С4 в выходной цепи обычно выбирается в 2–3 раза большей, чем емкость конденсатора С3. Высокая суммарная емкость позволяет последовательно с кварцевым резонатором включить цепочку из двух включенных параллельно конденсаторов С1 и С2. Подстроечный конденсатор обеспечивает возможность регулировки рабочей частоты генератора в незначительных пределах.

Рассмотренное схемотехническое решение может стать основой транзисторного генератора с выходной частотой до 100 МГц. Однако в этом случае рекомендуется использовать гармонические составляющие основной частоты генерации. К достоинствам схемы Колпитца следует отнести и то, что один из выводов кварцевого резонатора BQ1 при необходимости может быть подключен непосредственно к шине корпуса. Для этого достаточно исключить из схемы конденсаторы С1 и С2.

Не менее интересным представляется схемотехническое решение емкостной трехточки с включением кварцевого резонатора между эмиттером и коллектором транзистора активного элемента (рис. 3.13в). Такую схему часто называют схемой Клаппа. Принципиальная схема кварцевого трехточечного генератора по схеме Клаппа приведена на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Принципиальная схема кварцевого генератора с включением транзистора по схеме с общей базой (схема Клаппа)

Транзистор VТ1 по постоянному току включен по схеме с общим эмиттером. При этом положение рабочей точки транзистора определяется величиной сопротивлений резисторов R1 и R2, образующих делитель напряжения. По переменному току транзистор VТ1 включен по схеме с общей базой, поскольку по высокой частоте его база заземлена через конденсатор С1 сравнительно большой емкости. Стабилизация положения рабочей точки транзистора VT1 обеспечивается мостовой схемой, в состав которой помимо резисторов R1 и R2 входит резистор R4 в цепи эмиттера транзистора.

Кварцевый резонатор BQ1 включен в выходной цепи активного элемента, между коллектором транзистора VT1 и шиной корпуса. Связь выходной и входной цепей активного элемента обеспечивается включением между коллектором и эмиттером транзистора VT1 емкостного делителя, образованного конденсаторами С3 и С4. Емкости этих конденсаторов следует выбирать максимально возможными, однако не следует забывать о том, что одновременно с их увеличением уменьшается глубина обратной связи, что приводит к ухудшению режима работы кварцевого резонатора BQ1. В данном случае емкостной делитель подключен параллельно резонатору, поэтому его общее емкостное сопротивление должно быть хотя бы в два раза больше, чем внутреннее сопротивление резонатора, для того, чтобы обратная связь имела достаточную глубину. При необходимости величины емкостей конденсаторов С3 и С4 можно уменьшить. Параллельно конденсатору С3 рекомендуется подключить подстроечный конденсатор С5.

Из схемы видно, что для достижения высокого выходного сопротивления каскада величина сопротивления резистора R3 в цепи коллектора транзистора VT1 должна быть большой. Однако реализация этого условия довольно сложна, поскольку одновременно необходимо обеспечить стабильный режим работы транзистора. В этом заключается один из недостатков рассматриваемого схемотехнического решения. Тем не менее, при соблюдении определенного компромисса можно сконструировать генератор с весьма приемлемыми параметрами.

При выборе величины сопротивления резистора R3 не следует забывать о том, что его малое значение одновременно с уменьшением выходного сопротивления каскада приводит к уменьшению добротности кварцевого резонатора, который работает в режиме параллельного резонанса. Увеличить сопротивление резистора R3 можно за счет увеличения напряжения источника питания. При низком напряжении питания вместо резистора R3 рекомендуется включить дроссель.

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

Чаще всего в электронике используется прямоугольный сигнал

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:

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

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:

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

Распиновка 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 Мегагерц:

Показания у меня прыгали. Заскринил, что успел:

Частоту тоже более-менее показал верно.

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

Вот осциллограмма кварца на 16 Мегагерц:

Осциллограф показал частоту ровнехонько 16 Мегагерц.

Здесь поставил кварц на 6 Мегагерц:

Ровно 6 Мегагерц

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

Сверху написано 1000 Килогерц = 1МегаГерц 😉

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

400 Герц погрешность для старенького советского кварца не очень и много. Но лучше, конечно, воспользоваться нормальным профессиональным частотомером 😉

Часовой кварц

С часовым кварцем кварцевый генератор по схеме Пирса отказался работать.

“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 2 15 . Такой кварц работает в паре с 15-разрядной микросхемой-счетчиком. Это наша микросхема К176ИЕ5.

Принцип работы этой микросхемы такой: п осле 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.

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

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 AVR?

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

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.

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:

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

Давайте проверим один из них. На нем написано 1 МГц

Вот его вид сзади:

Вот его распиновка:

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.

Ну прям загляденье!

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. Схема Пирса будет пригодна для проверки резонаторов и для ваших различных самоделок.

Трехточечные кварцевые генераторы

Среди радиолюбителей, занимающихся конструированием миниатюрных транзисторных радиопередатчиков и радиомикрофонов весьма популярны схемотехнические решения кварцевых ВЧ-генераторов с трехточечным включением резонансного контура. В таких генераторах, как и в трехточечных LC-генераторах, подключение резонансного контура к активному элементу осуществляется в трех точках. При этом, в зависимости от схемы включения по переменному току транзистора активного элемента кварцевого трехточечного генератора возможны три основных варианта включения как индуктивной, так и емкостной трехточек: по схеме с общей базой, по схеме с общим эмиттером и по схеме с общим коллектором.

Кварцевый резонатор используется в трехточечных генераторах в качестве элемента с индуктивным характером реактивного сопротивления. Поэтому при выборе схемы генератора с емкостным делителем в цепи обратной связи (емкостная трехточка) можно добиться выполнения условий самовозбуждения без использования катушки индуктивности.

В настоящее время в миниатюрных транзисторных передатчиках чаще всего используются три типа трехточечных кварцевых генераторов, выполненных с использованием емкостного делителя в цепи ПОС. Главное отличие этих схемотехнических решений, называемых по именам их изобретателей, заключается в способе включения транзистора активного элемента по переменному току. В емкостной трехточке по схеме Пирса транзистор включен по схеме с общим эмиттером, в емкостной трехточке по схеме Колпитца – с общим коллектором, а в емкостной трехточке по схеме Клаппа – с общей базой. Упрощенные принципиальные схемы трехточечных кварцевых генераторов указанных типов приведены на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Упрощенные принципиальные схемы кварцевых емкостных трехточек по схеме Пирса (а), по схеме Колпитца (б) и по схеме Клаппа (в)

Весьма интересным представляется схемотехническое решение емкостной трехточки с включением кварцевого резонатора между базой и коллектором транзистора активного элемента (рис. 3.13а). Его впервые предложил американский изобретатель Джордж Пирс (Pierce), поэтому часто такая схема генератора называется схемой Пирса. Принципиальная схема высокочастотного кварцевого генератора по схеме Пирса, выполненного на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, приведена на рис. 3.14. Частота генерируемого сигнала составляет 1 МГц.

Рис. 3.14. Принципиальная схема трехточечного кварцевого генератора по схеме Пирса с частотой 1 МГц

В рассматриваемой схеме активный элемент выполнен на биполярном транзисторе VT1, который по переменному току включен по схеме с общим эмиттером. Стабилизация рабочей точки транзистора обеспечивается с помощью цепи ООС, а режим работы транзистора VT1 по постоянному току определяется величиной сопротивления резистора R1. Особенностью данной схемы является включение кварцевого резонатора BQ1 между базой и коллектором транзистора, то есть в цепи отрицательной обратной связи. При этом значение частоты генерируемых колебаний рекомендуется выбирать немного ниже частоты параллельного резонанса.

При изменении параметров конденсаторов С1 и С2 в данном генераторе можно использовать кварцевые резонаторы с большей частотой. Например, для частот от 10 МГц до 30 МГц емкость этих конденсаторов должна составлять 27 пФ. Соответственно следует уменьшить и индуктивность дроссельной катушки L1.

Отличительной особенностью кварцевых генераторов, выполненных по схеме Пирса, является сравнительно высокая стабильность частоты генерируемого высокочастотного сигнала, поскольку на добротность кварцевого резонатора параметры подключаемых к нему элементов практически не оказывают заметного влияния. В то же время амплитуда выходного сигнала в значительной мере зависит от стабильности положения рабочей точки транзистора. Поэтому нередко используются схемотехнические решения, в которых для стабилизации положения рабочей точки транзистора активного элемента применена и так называемая классическая мостовая схема.

Принципиальная схема высокочастотного кварцевого генератора по схеме Пирса с использованием классической схемы стабилизации положения рабочей точки транзистора, приведена на рис. 3.15. В данном случае частота генерируемого сигнала может составлять от 1 МГц до 3 МГц.

Рис. 3.15. Принципиальная схема кварцевого трехточечного генератора по схеме Пирса с частотой от 1 МГц до 3 МГц

Как и в рассмотренной ранее схеме активный элемент генератора выполнен на биполярном транзисторе VT1, который по переменному току включен по схеме с общим эмиттером. Однако в данной схеме положение рабочей точки транзистора VT1 определяется соотношением величин сопротивлений резисторов R1 и R2, образующих делитель напряжения в цепи базы транзистора. В состав мостовой схемы стабилизации положения рабочей точки в данном случае помимо резисторов R1 и R2 входит резистор R3, включенный в цепи эмиттера транзистора VT1. По высокой частоте резистор R3 образует цепь положительной обратной связи, глубина которой уменьшается подключением конденсатора С3. Таким образом, стабилизация положения рабочей точки обеспечивается использованием цепи отрицательной обратной связи по току за счет подключения резистора R3 и конденсатора С3 в цепь эмиттера транзистора VT1. Более подробно принцип действия такой цепи ООС был рассмотрен в соответствующем разделе одной из предыдущих глав.

Для того, чтобы каскад начал работать в режиме генерации колебаний, необходимо обеспечить сдвиг фазы между выходом и входом активного элемента на 180°. Выполнение этого условия обеспечивается соответствующим включением конденсаторов С2, С4 и С5. Емкости конденсаторов С2 и С4 следует выбирать максимально возможными, однако их величины ограничены возможностями транзистора VT1 по обеспечению самовозбуждения каскада. Поэтому в данной конструкции рекомендуется применять транзистор с максимальным усилением по току. Напомним, что рассматриваемое схемотехническое решение основано на использовании индуктивной составляющей комплексного сопротивления кварцевого резонатора BQ1, который работает в режиме, близком к режиму параллельного резонанса. Резонансную частоту в незначительных пределах можно регулировать с помощью подстроечного конденсатора С1, который включен последовательно с кварцевым резонатором BQ1.

На конденсаторах С4 и С5 собран емкостной делитель, с которого снимается выходной сигнал. Входное комплексное сопротивление активного элемента генератора определяется величиной емкости конденсатора С2, а выходное – емкостями конденсаторов С4 и С5. Емкость конденсатора С5 сравнительно велика, поэтому его емкостным сопротивлением в данном случае можно пренебречь. Этот конденсатор обеспечивает благоприятные условия для снятия выходного сигнала с коллектора транзистора VT1.

Необходимо отметить, что в случае, если напряжение источника питания достаточно велико, высокочастотный дроссель L1 в цепи коллектора транзистора можно заменить обычным резистором.

Данное схемотехническое решение практически без каких-либо изменений можно использовать при построении генератора с более высокой рабочей частотой. Например, при использовании кварцевого резонатора BQ1, имеющего частоту от 3 МГц до 10 МГц емкость конденсатора С1 должна быть уменьшена до 330 пФ, емкость конденсатора С2 – до 150 пФ, а емкость конденсатора С4 – до 1500 пФ. При использовании кварцевого резонатора BQ1, имеющего частоту от 10 МГц до 30 МГц емкость конденсатора С1 должна быть уменьшена до 180 пФ, емкость конденсатора С2 – до 47 пФ, а емкость конденсатора С4 – до 330 пФ.

Для получения более высоких значений частот сигнала используются схемотехнические решения так называемых гармониковых генераторов по схеме Пирса, в которых частота генерации представляет собой одну из нечетных гармоник частоты кварцевого резонатора. Чаще всего это третья, пятая или седьмая гармоники. Однако рассмотрение таких схем выходит за рамки данной книги.

Генераторы Пирса вполне заслуженно считаются генераторами с наилучшей кратковременной стабильностью частоты. Однако недостатком таких схем является сравнительная сложность. К тому же особое внимание следует уделять качественной стабилизации базового тока транзистора. Недостатком генераторов по схеме Пирса можно считать и то, что ни один из выводов кварцевого резонатора не подключен к шине корпуса.

При разработке транзисторных микропередатчиков и радиомикрофонов нередко используется схемотехническое решение трехточечного кварцевого генератора, в котором транзистор активного элемента по переменному току включен по схеме с общим коллектором. При этом кварцевый резонатор, имеющий индуктивный характер реактивного сопротивления, входит в состав параллельного резонансного контура в качестве индуктивной ветви. Емкостная ветвь этого контура образована двумя включенными последовательно конденсаторами, в точку соединения которых подается сигнал с выхода активного элемента (рис. 3.13б). В результате конденсаторы образуют емкостной делитель в цепи положительной обратной связи, поэтому такую схему кварцевого генератора часто называют схемой Колпитца. Принципиальная схема кварцевого трехточечного генератора по схеме Колпитца приведена на рис. 3.16. Частота генерируемого сигнала может составлять от 10 МГц до 25 МГц при выходном эффективном напряжении от 200 мВ до 300 мВ.

Рис. 3.16. Принципиальная схема кварцевого трехточечного генератора по схеме Колпитца с частотой от 10 МГц до 25 МГц

В рассматриваемой конструкции транзистор VТ1 по постоянному току включен по схеме с общим эмиттером. При этом положение рабочей точки транзистора определяется величиной сопротивлений резисторов R1 и R2, образующих делитель напряжения. По переменному току транзистор VТ1 включен по схеме с общим коллектором, поскольку по высокой частоте его коллектор заземлен через конденсатор С5 сравнительно большой емкости.

Высокочастотные колебания возникают в колебательном контуре, включенном по переменному току между базой транзистора VТ1 и шиной корпуса. Резонансный контур образован кварцевым резонатором BQ1 и конденсаторами С1, С2, С3 и С4. Сигнал, сформированный в эмиттерной цепи транзистора VТ1, то есть на выходе активного элемента, подается на емкостной делитель, образованный конденсаторами С3 и С4, входящий в состав резонансного контура. Снимаемое с емкостного делителя напряжение подается во входную цепь активного элемента, а именно на базу транзистора VТ1, в результате чего каскад оказывается охваченным положительной обратной связью. Величина напряжения ОС, и, соответственно, глубина обратной связи, определяется соотношением величин емкостей конденсаторов С3 и С4.

Необходимо отметить, что при стабилизации положения рабочей точки транзистора VT1 указанным способом, то есть с помощью мостовой схемы, в состав которой входят резисторы R1, R2 и R4, резисторный делитель оказывает заметное влияние на добротность кварцевого резонатора BQ1. Это влияние объясняется тем, что при сравнительно высоком входном сопротивлении транзистора элементы указанного делителя выступают в качестве дополнительной нагрузки пьезоэлектрического элемента. В результате уменьшение добротности кварцевого резонатора может привести к ухудшению параметров всего каскада. Решить данную проблему можно либо выбором возможно больших величин сопротивлений резисторов делителя, либо применением более простых схем стабилизации положения рабочей точки транзистора (без резисторного делителя). Однако во втором случае, скорее всего, стабильность положения рабочей точки будет хуже.

Емкость конденсаторов С3 и С4, которые используются в емкостном делителе, следует выбирать возможно большей, особенно если в качестве активного элемента каскада применяется транзистор с менее качественными высокочастотными параметрами. При этом емкость конденсатора С4 в выходной цепи обычно выбирается в 2–3 раза большей, чем емкость конденсатора С3. Высокая суммарная емкость позволяет последовательно с кварцевым резонатором включить цепочку из двух включенных параллельно конденсаторов С1 и С2. Подстроечный конденсатор обеспечивает возможность регулировки рабочей частоты генератора в незначительных пределах.

Рассмотренное схемотехническое решение может стать основой транзисторного генератора с выходной частотой до 100 МГц. Однако в этом случае рекомендуется использовать гармонические составляющие основной частоты генерации. К достоинствам схемы Колпитца следует отнести и то, что один из выводов кварцевого резонатора BQ1 при необходимости может быть подключен непосредственно к шине корпуса. Для этого достаточно исключить из схемы конденсаторы С1 и С2.

Не менее интересным представляется схемотехническое решение емкостной трехточки с включением кварцевого резонатора между эмиттером и коллектором транзистора активного элемента (рис. 3.13в). Такую схему часто называют схемой Клаппа. Принципиальная схема кварцевого трехточечного генератора по схеме Клаппа приведена на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Принципиальная схема кварцевого генератора с включением транзистора по схеме с общей базой (схема Клаппа)

Транзистор VТ1 по постоянному току включен по схеме с общим эмиттером. При этом положение рабочей точки транзистора определяется величиной сопротивлений резисторов R1 и R2, образующих делитель напряжения. По переменному току транзистор VТ1 включен по схеме с общей базой, поскольку по высокой частоте его база заземлена через конденсатор С1 сравнительно большой емкости. Стабилизация положения рабочей точки транзистора VT1 обеспечивается мостовой схемой, в состав которой помимо резисторов R1 и R2 входит резистор R4 в цепи эмиттера транзистора.

Кварцевый резонатор BQ1 включен в выходной цепи активного элемента, между коллектором транзистора VT1 и шиной корпуса. Связь выходной и входной цепей активного элемента обеспечивается включением между коллектором и эмиттером транзистора VT1 емкостного делителя, образованного конденсаторами С3 и С4. Емкости этих конденсаторов следует выбирать максимально возможными, однако не следует забывать о том, что одновременно с их увеличением уменьшается глубина обратной связи, что приводит к ухудшению режима работы кварцевого резонатора BQ1. В данном случае емкостной делитель подключен параллельно резонатору, поэтому его общее емкостное сопротивление должно быть хотя бы в два раза больше, чем внутреннее сопротивление резонатора, для того, чтобы обратная связь имела достаточную глубину. При необходимости величины емкостей конденсаторов С3 и С4 можно уменьшить. Параллельно конденсатору С3 рекомендуется подключить подстроечный конденсатор С5.

Из схемы видно, что для достижения высокого выходного сопротивления каскада величина сопротивления резистора R3 в цепи коллектора транзистора VT1 должна быть большой. Однако реализация этого условия довольно сложна, поскольку одновременно необходимо обеспечить стабильный режим работы транзистора. В этом заключается один из недостатков рассматриваемого схемотехнического решения. Тем не менее, при соблюдении определенного компромисса можно сконструировать генератор с весьма приемлемыми параметрами.

При выборе величины сопротивления резистора R3 не следует забывать о том, что его малое значение одновременно с уменьшением выходного сопротивления каскада приводит к уменьшению добротности кварцевого резонатора, который работает в режиме параллельного резонанса. Увеличить сопротивление резистора R3 можно за счет увеличения напряжения источника питания. При низком напряжении питания вместо резистора R3 рекомендуется включить дроссель.

Что такое кварцевый генератор? Применение пассивного кварцевого генератора и активного кварцевого генератора

В: Что такое кварцевый генератор?

О: Кварцевый генератор обычно относится к резонатору из кварцевого кристалла, который представляет собой электронный компонент, который использует пьезоэлектрический эффект кристалла кварца (также называемого кристаллом) для генерации высокоточных частот колебаний.

В: Какую роль в приложении играет кварцевый генератор?

О: Это самый важный компонент в схеме часов, и он в основном обеспечивает опорную частоту для микроконтроллера. В качестве опорного тактового сигнала для различных микропроцессорных чипов, кварцевый генератор эквивалентен сердцу микропроцессора. Без кварцевого генератора, микропроцессор чип не будет работать.

В: Что такое пассивный кварцевый генератор?

О: Пассивному кварцевому генератору нужен генератор в ЦП. Пассивный кварцевый генератор имеет только два контакта. Пассивный кварцевый генератор не имеет напряжения питания. Его уровень сигнала определяется схемой генератора и может изменяться. Один и тот же пассивный кварцевый генератор может применяться к различным напряжениям и может применяться к различным Требования к напряжению процессора. В целом цена на пассивные кварцевые генераторы относительно невысока, среди продукции гражданского назначения большинство из них представляют собой пассивные кварцевые генераторы с целью снижения стоимости готовой продукции.

Пассивный кварцевый генератор

Недостатки пассивных кварцевых генераторов: качество сигнала низкое, и обычно требуется точное согласование периферийных цепей (конденсаторы, индуктивности, сопротивления для согласования сигналов и т. Д.), А также необходимо соответствующим образом настроить схемы периферийной конфигурации при замене кристаллов с разными частотами. Как правило, рекомендуется использовать кристаллы кварца высокой точности, по возможности не использовать кристаллы керамики низкой точности.

Опорная схема пассивного кварцевого генератора

В: Что такое активный кварцевый генератор?

A: Активный кварцевый генератор — это законченный генератор с кварцевым кристаллом, транзисторами и компонентами сопротивления и емкости. Корпус активного кварцевого генератора имеет 4 контакта: VCC (напряжение), GND (земля), OUT (выход тактового сигнала) и NC (пустой контакт).

Активный кристалл

Активный кварцевый генератор не требует внутреннего генератора ЦП, сигнал стабильный, качество лучше, а способ подключения относительно прост (в основном, для хорошей фильтрации мощности, обычно конденсатор и катушка индуктивности используются для формирования сети фильтров, а выходной конец фильтруется с помощью небольшого резистора сопротивления Сигнала достаточно), сложной схемы конфигурации не требуется.

цепи опорного активного кристалла

 

Что такое кварцевый резонатор и как он работает – просто и доступно | Лампа Эксперт

Кварцевые резонаторы нашли самое широкое применение в электронике. Их можно найти в 90% бытовой техники. Но мало кто из нас знает, что это за прибор, для чего нужен и где конкретно применяется. В данной статье я постараюсь устранить этот пробел, не затрагивая высоких материй.

Устройство и принцип работы

Кварцевый резонатор, на сленге электронщиков именуемый «кварц», представляет собой пластинку того или иного размера, вырезанную из монокристалла кварца. На пластинку методом напыления нанесены два электрода. Сам кристалл крепится в специальных подвижных держателях, которые одновременно являются выводами.

Конструкция кварцевого резонатора

Конструкция кварцевого резонатора

На фото цифрами обозначены:

  • 1 – кварцевая пластина;
  • 2 – токопроводящее напыление;
  • 3 – держатель;
  • 4 – вывод.

При подаче на резонатор напряжения за счет обратного пьезоэлектрического эффекта пластина изгибается или растягивается — все зависит от того, в какой плоскости кристалла кварца она была вырезана.

Деформация кварцевой пластины при подаче на нее напряжения

Деформация кварцевой пластины при подаче на нее напряжения

На самом деле видов деформации больше – сдвиг по толщине, контуру, камертонный сдвиг и т.п. Все зависит от угла среза кристалла относительно его кристаллографических осей.

При совпадении частоты подаваемого на выводы резонатора напряжения с резонансной частотой кристалла, амплитуда деформации последнего становится максимальной. При этом благодаря пьезоэлектрическому эффекту сам кристалл на электродах наводит дополнительную ЭДС. В  таком режиме кристалл становится аналогом колебательного LC контура. Причем добротность этого контура очень высока – намного выше любой LC цепочки.

Стоит частоте немного «уйти», как кварц выйдет из резонанса и энергозатраты на поддержание его колебаний существенно увеличатся. Но пока уход частоты невелик, кварц находится в резонансе и заставляет генератор поддерживать эту частоту, требуя для поддержания колебаний минимум энергии.

Факт. Таким образом, кварцевый резонатор благодаря исключительно высокой добротности является высокоточным стабилизатором колебаний генератора, заставляя его работать на строго заданной частоте.

Какова резонансная частота кварцевого резонатора? Все будет зависеть от угла среза кристалла, геометрических размеров пластины, ее веса и применения тех или иных технологических приемов, которых множество. То есть этот параметр закладывается при производстве кварца и не может быть произвольно изменен. Сегодня промышленность выпускает кварцы на самые различные частоты – от десятков килогерц до десятков мегагерц.

Резонатор на 32.768 кГц (слева), 16 МГц и их геометрические размеры

Резонатор на 32.768 кГц (слева), 16 МГц и их геометрические размеры

Как видно из рисунка выше, современные кварцевые резонаторы независимо от частоты имеют достаточно скромные размеры. Но еще полсотни лет назад габариты приборов были весьма внушительными.
Кварцевый резонатор шестидесятых годов в карболитовом корпусе (слева) и в стеклянной завакуумированной колбе

Кварцевый резонатор шестидесятых годов в карболитовом корпусе (слева) и в стеклянной завакуумированной колбе

Где применяется

При современном уровне развития электроники проще сказать, где он не применяется. Стабильная частота сегодня нужна практически везде. Мы можем найти кварцевый резонатор в компьютере, телевизоре, включая пульт ДУ, стиральной машинке-автомате, маршрутирезаторе, раздающем нам Wi-Fi. Стоит «кварц» в наших смартфонах, планшетах и даже в электронных и электронно-механических наручных часах. Радисты используют кварц для стабилизации частоты генераторов своих передатчиков и приемников.

Кварцевый резонатор на материнской плате, в маршрутизаторе, модуле передатчика и наручных часах

Кварцевый резонатор на материнской плате, в маршрутизаторе, модуле передатчика и наручных часах

Как проверить

 Кварц является диэлектриком, поэтому проверить резонатор при помощи обычного тестера невозможно. Исправен ли он, неисправен, раскололся кристалл, не раскололся – прибор всегда покажет обрыв. Чтобы проверить резонатор, придется собрать небольшую схему. Если в нашем распоряжении есть осциллограф, то один из вариантов тестера будет выглядеть так:

Схема для проверки кварцевых резонаторов при помощи осциллографа

Схема для проверки кварцевых резонаторов при помощи осциллографа

Схема представляет собой простейший генератор, частотозадающим элементом которого является проверяемый кварцевый резонатор Zx. К выходу генератора подключаем осциллограф, устанавливаем кварц, подаем питание. Транзистор КТ3107 имеет  граничную частоту 250 МГц. Этого будет достаточно для проверки практически всех кварцев, используемых в бытовой технике и самоделках.

Если осциллографа нет, то для проверки резонаторов придется собрать более сложную схему со световой индикацией.

Схема прибора для проверки резонаторов со световой индикацией

Схема прибора для проверки резонаторов со световой индикацией

На транзисторе Т1 собран генератор, частотозадающим элементом которого является проверяемый кварцевый резонатор. Далее сигнал с генератора детектируется диодом D1 и поступает на транзистор Т1, который управляет светодиодом LED1.

Подключаем кварц. Если генератор запустился, то переменное напряжение пройдет через конденсатор и зажжет светодиод. Если генерации нет, транзистор Т1 останется закрытым и светодиод не загорится. Эта схема позволяет проверять кварцы с резонансной частотой до 32 МГц, что более, чем достаточно для электронщика-любителя.

Отечественный аналог высокочастотного диода 1N4148 — КД522Б. На месте Т1 и Т2 могут работать BC546, BC547, BC549, BC550, КТ373А, КТ3102. Светодиод любой индикаторный.

Ну вот мы и разобрались, что такое кварцевый резонатор. Заодно узнали, как работает этот прибор, для чего нужен и как его проверить.

Кварцевый осциллятор: схема, частота и принцип работы

Кварцевые генераторы работают по принципу обратного пьезоэлектрического эффекта, при котором переменное напряжение, приложенное к поверхности кристалла, заставляет его вибрировать с собственной частотой. Именно эти вибрации в конечном итоге преобразуются в колебания.

Эти осцилляторы обычно изготавливаются из кристаллов кварца, хотя другие вещества, такие как сегнетовая соль и турмалин, проявляют пьезоэлектрический эффект, потому что кварц недорог, доступен в природе и механически прочен по сравнению с другими.

В кварцевых генераторах кристалл соответствующим образом вырезается и устанавливается между двумя металлическими пластинами, как показано на рис. 1а, электрический эквивалент которых показан на рис. 1b. В действительности кристалл ведет себя как последовательная RLC-цепь, состоящая из компонентов

  1. Резистор с малым номиналом R S
  2. Катушка индуктивности с большим номиналом L S
  3. Конденсатор с малым номиналом C S

который будет параллельно емкости его электродов C p .


Из-за присутствия C p кристалл будет резонировать на двух различных частотах, а именно,

  1. Последовательная резонансная частота, f s , которая возникает, когда последовательная емкость C S резонирует с последовательной индуктивностью Л С . На этом этапе импеданс кристалла будет наименьшим и, следовательно, величина обратной связи будет наибольшей. Математическое выражение для этого дается как
  2. Параллельная резонансная частота, f p , которая проявляется, когда реактивное сопротивление ветви L S C S равно реактивному сопротивлению параллельного конденсатора C p i.е. L S и C S резонируют с C p . В этот момент импеданс кристалла будет самым высоким и, следовательно, обратная связь будет минимальной. Математически это можно представить как

Поведение конденсатора будет емкостным как ниже f S , так и выше f p . Однако для частот, лежащих между f S и выше f p , поведение кристалла будет индуктивным. Кроме того, когда частота становится равной параллельной резонансной частоте f p , тогда взаимодействие между L S и C p формирует параллельный настроенный LC-контур.Следовательно, кристалл можно рассматривать как комбинацию последовательно и параллельно настроенных резонансных контуров, из-за чего необходимо настроить контур на любой из этих двух. Кроме того, следует отметить, что f p будет выше, чем f s , и близость между ними будет определяться огранкой и размерами используемого кристалла.

Кварцевые генераторы могут быть спроектированы путем включения кварца в цепь таким образом, чтобы он обеспечивал низкий импеданс при работе в последовательно-резонансном режиме (рис. 2а) и высокий импеданс при работе в антирезонансном или параллельно-резонансном режиме (рис. 2b). .

В показанных схемах резисторы R 1 и R 2 образуют цепь делителя напряжения, а эмиттерный резистор R E стабилизирует цепь. Кроме того, C E (рис. 2а) действует как блокирующий конденсатор переменного тока, в то время как разделительный конденсатор C C (рис. 2а) используется для блокировки распространения сигнала постоянного тока между коллектором и выводами базы.

Затем конденсаторы C 1 и C 2 образуют цепь емкостного делителя напряжения в случае, показанном на рис. 2b.Кроме того, в схемах также имеется радиочастотная катушка (RFC) (как на рис. 2a, так и на рис. 2b), которая дает двойное преимущество, поскольку она обеспечивает даже смещение постоянного тока, а также освобождает выход схемы от влияния сигнала переменного тока. на линиях электропередач.

При подаче питания на генератор амплитуда колебаний в цепи увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута точка, в которой нелинейность усилителя снизит коэффициент усиления контура до единицы.

Затем, при достижении устойчивого состояния, кварц в контуре обратной связи сильно влияет на частоту рабочей цепи.Кроме того, здесь частота будет самонастраиваться, чтобы облегчить кварцевый резонатор, представляющий реактивное сопротивление цепи таким образом, чтобы выполнялось требование фазы Баркгаузена.

Как правило, частота кварцевых генераторов будет фиксированной и равна основной или характеристической частоте кристалла, которая будет определяться физическим размером и формой кристалла.

Однако, если кристалл непараллелен или имеет неравномерную толщину, он может резонировать на нескольких частотах, что приводит к возникновению гармоник.

Кроме того, кварцевые генераторы могут быть настроены либо на четную, либо на нечетную гармонику основной частоты, которые называются гармоническими и обертонными генераторами соответственно.

Примером этого является случай, когда параллельная резонансная частота кристалла уменьшается или увеличивается путем добавления конденсатора или катушки индуктивности к кристаллу соответственно.

Типичный рабочий диапазон кварцевых генераторов составляет от 40 кГц до 100 МГц, где низкочастотные генераторы разработаны с использованием операционных усилителей, а высокочастотные — с использованием транзисторов (BJT или FET).

Частота колебаний, генерируемых схемой, определяется последовательной резонансной частотой кварца и не зависит от изменений напряжения питания, параметров транзистора и т. д. В результате кварцевые генераторы демонстрируют высокую добротность с отличным стабильность частоты, что делает их наиболее подходящими для высокочастотных приложений.

Однако следует соблюдать осторожность, чтобы управлять кристаллом только с оптимальной мощностью. Это связано с тем, что если на кристалл подается слишком много энергии, то в кристалле могут возбуждаться паразитные резонансы, что приводит к нестабильной резонансной частоте.

Кроме того, даже форма выходного сигнала может быть искажена из-за ухудшения характеристик фазового шума. Более того, это может привести даже к разрушению прибора (кристалла) из-за перегрева.

Кварцевые генераторы имеют компактные размеры и низкую стоимость, благодаря чему они широко используются в системах радиоэлектронной борьбы, системах связи, системах наведения, микропроцессорах, микроконтроллерах, системах космического слежения, измерительных приборах, медицинских приборах, компьютерах, цифровых системы, контрольно-измерительные приборы, системы фазовой автоподстройки частоты, модемы, датчики, дисковые накопители, морские системы, телекоммуникации, системы управления двигателями, часы, системы глобального позиционирования (GPS), системы кабельного телевидения, видеокамеры, игрушки, видеоигры, радиосистемы, сотовые телефоны, таймеры и т.д.

Кварцевый генератор – обзор

9.2 Кварцевые генераторы

Кварцевые генераторы имеют долгую историю, связанную с процессами испарения. Используемые датчики легко адаптировались к сверхвысокому вакууму, и в настоящее время они широко используются для контроля и управления потоком в системах МЛЭ на основе электронно-лучевого испарителя, а иногда и в других приложениях МЛЭ.

Работа основана на измерении изменения частоты колебаний режима сдвига плосковогнутой кварцевой пластины по мере того, как она заполняется отложениями. [180] Рассмотрение кристалла как одномерного композитного резонатора из кварца и осадка приводит к выражению, связывающему толщину осадка, d, , с частотой колебаний через:

Ур. (5) d = A × Po × tan −1 [B × tan (3.142) (1 − P/P o )]

, где ρ и p o – периоды колебаний нагруженный и ненагруженный кристалл соответственно, A и B являются параметрами, зависящими от осадка, связанными с плотностью и акустическим импедансом кварца и материала осадка.Кварцевые генераторы измеряют общую толщину осажденного материала и определяют скорость путем дифференцирования; они не являются настоящими регуляторами расхода и поэтому более подвержены шуму.

Из приведенного выше уравнения можно установить зависимость материала от чувствительности. Например, если предположить, что типичная частота ненагруженного кристалла составляет 6 МГц, и ввести соответствующие параметры материала, чувствительность для Si, Mo и Pt составит 0,44, 0,1 и 0,05 Å Гц 1 соответственно. Чувствительность возрастает, прежде всего, с увеличением плотности осаждаемого материала.По мере нагружения кристалла чувствительность снижается, например, до 0,53 À Гц -1 для Si на частоте 5 МГц. Становятся доступными улучшения в чувствительности, поскольку более сложные методы подсчета обеспечивают разрешение измерений лучше, чем изменения частоты в 1 Гц. [181]

Кажущаяся чувствительность детектора в первую очередь определяется относительным расстоянием сенсора и подложки от источника. Этот параметр, инструментальный коэффициент , , можно установить приблизительно, измерив это отношение, и точно настроить путем сравнения ожидаемой и измеренной толщины пленок.Достижение высокой кажущейся чувствительности за счет близкого расположения источника и датчика может быть затруднено другими факторами. Во-первых, параметры материала и, следовательно, частота колебаний сильно чувствительны к температуре. Поэтому кристаллы устанавливаются в узлах с водяным охлаждением, которые могут быть заключены в отражающие корпуса с небольшим отверстием в центре поверхности кристалла, подвергающимся воздействию флюса. Никакого снижения чувствительности или работы не происходит в результате ограничения области осаждения на кристалл, если используются плосковыпуклые кристаллы. [182] Второй компромисс в отношении повышения кажущейся чувствительности заключается в том, что общая измеряемая толщина уменьшается с уменьшением расстояния от источника (как 1/D 2 ) из-за возможной перегрузки кристалла. Перегрузка может произойти либо из-за прекращения колебаний, либо из-за того, что изменение частоты превысило разрешенное приведенным выше уравнением. Предел толщины перегрузки сильно различается между материалами, но особенно ограничен в случае Si (отказ происходит всего через несколько микрон по сравнению со временем жизни заряда, превышающим 80 мкм).Обеспечение избыточности за счет включения двух или более кристаллов или блокировки нагрузки в данном случае имеет ограниченное значение из-за трудностей замены кристаллов во время процесса. С другой стороны, этот подход чрезвычайно эффективен для многих металлов (Mo, Cu, Pt, Al и др.), поскольку время жизни кристалла значительно лучше связано со временем жизни источника, а в некоторых случаях даже превышает его.

Контроллеры кварцевого резонатора также обеспечивают сложный технологический контроль над скоростью осаждения, толщиной покрытия, циклами нагрева и охлаждения электронно-лучевого испарителя, работой затвора и программированием нескольких пленок.Однако для приложений MBE эти функции управления технологическим процессом обычно обеспечиваются управляющим компьютером.

Схема генератора — ECS Inc. International

Авторы: Дэвид Мини, вице-президент по глобальным техническим продажам и маркетингу, и Дин Кларк, директор по операциям в Европе, ECS Inc. International

Что такое осциллятор?

Генератор представляет собой электронную схему, генерирующую повторяющийся сигнал.Этот сигнал может быть во многих формах в зависимости от приложения. Некоторым приложениям требуются базовые часы для поддержания рабочих интервалов для процессов. Для других приложений требуются часы с очень чистой формой волны и высокой стабильностью для обеспечения высококачественной связи и передачи данных.

В аналоговых приложениях, таких как радиочастотные приемопередатчики, которые используют супергетеродин для приема и передачи цепочек сигналов, обычно обнаруживаются синусоидальные формы выходных сигналов. Синусоида представляет собой непрерывную волну, представляющую собой гладкие периодические колебания.При радиочастотной связи синусоидальный выход генератора обеспечивает точную опорную частоту с низким уровнем шума для трансивера.

В цифровой электронике мы видим прямоугольные выходные сигналы. Прямоугольные волны — это форма волны, амплитуда которой изменяется от минимальной до максимальной с постоянной частотой. Идеальная прямоугольная волна будет иметь минимальный и максимальный периоды равной продолжительности, и это будет иметь рабочий цикл 50/50%. На практике рабочий цикл будет иметь некоторые отклонения, поэтому более типичными могут быть значения 45/55% или 60/40%.Выходной сигнал прямоугольной формы имеет множество применений, но широко используется для измерения времени выполнения инструкций в схеме или микропроцессоре.

Осцилляторы

Осцилляторы могут иметь несколько различных типов резонаторов, связанных с ними. Самым продуктивным и эффективным из них является кварц. Вы также можете найти генераторы, в которых используются керамические резонаторы, резонаторы на основе SAW[1] или MEMS[2] в качестве отправной точки для рабочей частоты. Они используют механическую вибрацию или настроенные полости для генерации тактового сигнала.В случае генератора на основе кварца состав кварцевого материала и углы, под которыми срезан кристалл, делают этот тип генератора очень точным и стабильным в широком диапазоне температур. Процесс изготовления кварцевых заготовок для генераторов занимает много времени и включает множество этапов для обеспечения неизменно высокого качества продукта, но они обеспечивают значительно более высокую стабильность по сравнению с RC-генераторами.

Принципы генератора

В основе схемы генератора лежит стабильный выходной сигнал в установившемся состоянии.Один из способов добиться этого — использовать петлю положительной обратной связи. Здесь часть выходного напряжения является обратной связью со входом без чистого фазового сдвига, что усиливает выходной сигнал. Затем сигнал усиливается и снова зацикливается, вызывая рост выходного сигнала. Усиление в контуре обратной связи должно регулироваться до единичного усиления, иначе сигнал будет обрезан и искажен.

Рисунок 1. Контур обратной связи генератора, показывающий условия для генерации

На рис. 1 мы видим упрощенный контур генератора обратной связи, показывающий, что базовая схема генератора состоит из каскада усиления и цепи обратной связи, которая действует как фильтр, определяющий, каким должно быть усиление контура обратной связи.

Рисунок 2. Конструкция генератора Пирса с использованием процессора с инвертором и резистором обратной связи.

На рис. 2 показана схема генератора Пирса, обычно используемая в цифровых процессорах. В этом типе конструкции кварцевого генератора фильтр состоит из эквивалентной модели кварцевого резонатора и внешних нагрузочных конденсаторов. Точная частота, на которой будет работать генератор, зависит от угловых сдвигов фазы контура в цепи генератора. Изменения фазового угла приведут к изменению выходной частоты.

Время запуска

Время запуска — это период, когда осциллятор впервые включается. В этот период будут неустойчивости, пока колебания не стабилизируются. Время запуска обычно измеряется в микросекундах (мкс), но оно зависит от частоты и контролируется контуром обратной связи. Величина усиления замкнутого контура оказывает большое влияние на время запуска. Факторы, отрицательно влияющие на коэффициент усиления замкнутого контура, включают низкий уровень возбуждения, более высокие значения емкостной нагрузки кристалла (CL) и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR).Низкий коэффициент усиления может привести к чрезмерно долгому времени запуска, а слишком высокий коэффициент усиления может привести к полному сбою запуска или перенапряжению кристаллической структуры. Идеальный коэффициент усиления зависит от отрицательного сопротивления цепи генератора, где привод должен преодолеть отрицательное сопротивление для запуска и создания выходного сигнала генератора. Из-за этого частота генератора напрямую влияет на время запуска, поэтому время, необходимое для обращения по петле, значительно больше для генератора кГц, чем для генератора МГц.Плохой запас по усилению является распространенной проблемой в генераторах кГц, поскольку уровни возбуждения на порядок ниже, а ESR кварца на порядок выше. Чтобы преодолеть эти проблемы, требуется тщательное проектирование, чтобы согласовать уровни возбуждения с подходящими значениями CL и ESR.

Реактивное сопротивление

Импеданс кварцевого кристалла изменяется настолько сильно при изменении приложенной частоты, что все остальные компоненты схемы можно рассматривать как имеющие по существу непрерывное реактивное сопротивление.Следовательно, когда кварцевый блок используется в контуре обратной связи генератора, частота кварцевого блока будет регулироваться сама по себе, так что ее реактивное сопротивление будет удовлетворять коэффициенту усиления по фазе контура. Представление реактивного сопротивления в зависимости от частоты блока кварцевого кристалла показано на рисунке 3.

Рисунок 3 – Реактивное сопротивление в зависимости от частоты

Блок кварцевого кристалла можно заставить колебаться в любой точке вдоль линии между последовательными и параллельными резонансными точками путем включения реактивных компонентов (см. рис. 3, линия, отмеченная емкостной нагрузкой), таких как конденсаторы в контуре обратной связи генератора. схема.Частота, возникающая в результате добавления емкости, выше, чем последовательная резонансная частота; ее обычно называют параллельной частотой, однако она меньше фактической параллельной частоты. Поскольку с кварцевым кристаллом связаны две частоты нулевых фаз, существует два типа схем генератора. Эти схемы определяются типом используемого кристалла. Они либо последовательно резонансные, либо параллельные резонансные.

Серия

Цепь

В сбалансированной LC-цепи резонансная частота — это частота, при которой реактивное сопротивление индуктивности и реактивное сопротивление емкости компенсируют друг друга, оставляя только значение сопротивления.На рис. 4 показан последовательный резонансный контур.

Рисунок 4 – Последовательный резонансный контур

Параллельный Контурный

Цепь параллельного резонансного генератора использует блок кристалла, который предназначен для работы с определенным значением емкости нагрузки. Это создаст результат, в котором частота кристалла выше, чем резонансная частота последовательного, но ниже, чем истинная частота параллельного резонанса.Эти схемы не предлагают других маршрутов, кроме как через блок Crystal для завершения цикла обратной связи. В случае отказа блока кристалла цепь больше не будет продолжать колебаться. Ниже приведено простое описание параллельного резонансного контура.

Рисунок 5 – Параллельный резонансный контур

Регулировка частоты «Вытягивание»

Кристалл можно «вытянуть» из его последовательной частоты, добавив реактивное сопротивление (емкость) последовательно с кристаллом.При работе в сочетании с внешней нагрузочной емкостью (CL) кварц колеблется в частотном диапазоне немного выше его последовательной резонансной частоты. Это параллельная (резонансная) частота. При заказе параллельного резонатора всегда указывайте номинальную параллельную резонансную частоту и емкость нагрузки цепи в пикофарадах (пФ).

Приблизительное уравнение для пределов вытягивания кристалла:

Пределы ∆f зависят от добротности кристалла и паразитной емкости цепи.Если известна емкость шунта, емкость движения и емкость нагрузки, среднее значение тяги на пФ можно найти, используя:

Емкость можно изменить с помощью варакторного диода, где подтяжка может быть выполнена электрически для изменения значения емкости. Это используется в VCO, VCXO и VCTCXO для получения частоты.

Емкость нагрузки

Емкость нагрузки — это величина емкости внешней цепи, параллельной самому кристаллу.В этом примере мы видим, что режим параллельного резонанса кристаллов всегда выше частоты последовательного резонанса и характеризуется индуктивным сопротивлением. В режиме параллельных резонансных колебаний индуктивность кристалла (подвижная индуктивность) параллельна емкости нагрузки генератора, тем самым образуя LC-контур. Этот LC определяет частоту генератора.

При указании последовательного резонансного кристалла емкостью нагрузки можно пренебречь, поскольку динамическая индуктивность и динамическая емкость кристалла являются единственными LC-компонентами, определяющими частоту колебаний.

CL можно определить по формуле:

Например, где CL1 и CL2 — нагрузочные конденсаторы, а C S — паразитная емкость цепи, обычно
3 пФ ~ 5 пФ. Следует отметить, что изменение значения емкости нагрузки приведет к изменению выходной частоты генератора.

Если требуется точное регулирование частоты, необходимо точно указать емкость нагрузки. Для демонстрации предположим, что кварцевый блок рассчитан на работу на частоте 20 МГц с емкостью 20 пФ.Предположим, что кварцевый блок затем помещается в цепь, которая имеет оценку 30 пФ.

В этом случае частота кристалла будет ниже указанного значения. Наоборот, если рассматриваемая схема имеет оценку 10 пФ, частота будет выше указанного значения. Связь между частотой и емкостью нагрузки показана на рисунке 6.

Рисунок 6 – Частота в зависимости от емкости нагрузки

Уровень привода 

Уровень возбуждения — это мощность, рассеиваемая кварцевым блоком во время работы.Мощность зависит от приложенного тока и обычно выражается в милливаттах (мВт) или микроваттах (мкВт). Модули кристалла определены как имеющие определенные максимальные значения уровня возбуждения, которые преобразуются в зависимости от частоты и режима работы. Превышение максимального уровня возбуждения для данного блока кристалла может привести к нестабильной работе, включая ускоренное старение, а в некоторых случаях и к полному выходу из строя кристалла. Уровень драйва можно рассчитать по следующему уравнению:

МОЩНОСТЬ = (I среднеквадратичное значение 2 * R)

Отрицательное сопротивление

Для оптимальной работы схема генератора должна быть спроектирована таким образом, чтобы увеличить отрицательное сопротивление, которое иногда называют допуском колебаний.Определить величину отрицательного сопротивления можно путем последовательного включения переменного резистора.

Оценка величины отрицательного сопротивления в каждой цепи осуществляется путем временной установки переменного резистора последовательно с кварцевым блоком. Резистор должен быть изначально установлен на самое низкое значение, желательно близкое к нулю Ом. Затем запускается генератор, и его выходной сигнал контролируется на осциллографе. Затем переменный резистор настраивается так, чтобы сопротивление увеличивалось, в то время как выход постоянно контролировался.При некотором значении сопротивления колебание прекратится. В этот момент переменный резистор измеряется, чтобы определить омическое значение, при котором колебание прекращается. К этому значению необходимо добавить максимальное сопротивление кварцевого блока, указанное производителем. Полное омическое сопротивление считается отрицательным сопротивлением или допуском колебаний.

Для хорошей и надежной работы схемы рекомендуется, чтобы отрицательное сопротивление было как минимум в пять раз больше указанного максимального значения эквивалентного последовательного сопротивления кварцевого блока.Значения отрицательного сопротивления, превышающие пятикратное максимальное сопротивление кристаллического блока, еще лучше. Поскольку отрицательное сопротивление имеет тенденцию к уменьшению при повышенной температуре, рекомендуется проводить испытание при самой высокой температуре рабочего диапазона.

Генератор крутизны

Еще один способ определить, будет ли генератор стабильно запускаться, — это рассмотреть крутизну. Чтобы гарантировать, что колебание начнется и достигнет стабильной фазы, генератор должен обеспечить достаточное усиление, чтобы компенсировать потери в колебательном контуре и обеспечить энергию для нарастания колебаний.Как обсуждалось в разделе «Запуск», отношение между усилением генератора и критическим усилением контура генерации не может превышать 1, так как это приведет к слишком долгому времени запуска генератора или даже к полной остановке запуска. Разработчики должны стараться обеспечить запас по усилению больше 5. Эти параметры определяются по формуле запас по усилению = gm / g mcrit ≥ 5 gm — крутизна генератора, указанная в техническом описании ИС.

Для генераторов МГц крутизна находится в диапазоне десятков мА/В, тогда как для генераторов кГц крутизна находится в диапазоне от нескольких до нескольких десятков мкА/В, в зависимости от изделия.

g mcrit определяется как минимальная крутизна генератора, необходимая для поддержания стабильных колебаний.

Предполагая, что в конструкции используются одинаковые значения CL1 и CL2, и что нагрузка кристалла такая же, как и CL кристалла, g mcrit выражается следующим образом:

При рассмотрении вопроса о запуске генератора важен выбор параметров кварца; снижение ESR, частоты, C0 и CL уменьшит g mcrit и, таким образом, максимизирует запас усиления.

Частота и режим обертонов

Частота кварцевого кристалла ограничена физическими размерами вибрирующего кварцевого элемента. В некоторых случаях ограничивающими размерами являются длина и ширина. Наиболее популярным кристаллическим блоком является кристалл огранки AT. Предельным размером является толщина вибрирующего кварцевого элемента. По мере уменьшения толщины частота повышается. В какой-то момент, обычно около 50 МГц, толщина кварцевой пластины становится слишком хрупкой для использования в полевых условиях.

Если вам нужно разработать генератор на более высоких частотах, который будет достаточно надежным для работы в полевых условиях, мы можем рассмотреть возможность использования одной из других резонансных частот. Это более низкие частоты амплитуды, которые генерируются как гармоники. Все эти гармоники будут иметь нечетные целые числа основной частоты. Следовательно, если кварцевый блок имеет основную частоту 10 МГц, его также можно заставить колебаться в 3, 5, 7 и т. д. раз больше основной частоты. То есть устройство будет колебаться с частотой 30 МГц, 50 МГц, 70 МГц и т. д.Эти множители основной частоты называются обертонами и обозначаются целым числом умножения, например, третий обертон, пятый обертон, седьмой обертон и т. д. работать на желаемой частоте и на желаемом обертоне. Никогда не следует пытаться заказать кварцевый блок основной моды, а затем использовать его на частоте обертонов. Это связано с тем, что процесс производства кристаллов отличается для основных и обертоновых кристаллов.

Во многих случаях характеристики интегральной схемы, используемой в конструкции генератора, требуют подавления основной частоты кварца, чтобы обеспечить работу на желаемой частоте, а не на более мощной основной частоте. Необходимо доработать схему генератора. Одним из способов модификации является добавление контура бака, состоящего из катушки индуктивности и конденсатора. Эти модификации показаны на рис. 7 и рис. 8 для последовательных и параллельных резонансных цепей.

Рисунок 7 – Модификация последовательного резонансного контура

В обоих случаях схема резервуара настроена на резонанс на некоторой частоте между основной и желаемой частотой. Это изолирует желаемую частоту и шунтирует остальные на землю, оставляя только желаемую частоту на выходе генератора.

Вопросы дизайна

При проектировании схемы генератора или компоновке платы для генератора необходимо учитывать определенные конструктивные соображения. Всегда рекомендуется избегать параллельных дорожек, чтобы уменьшить емкость лотка. Все дорожки должны быть как можно короче, а компоненты должны быть изолированы, чтобы предотвратить сопряжение. Для изоляции сигналов следует использовать заземляющие плоскости.

Существует множество других терминов, с которыми вам необходимо ознакомиться во время разработки.ЭКС. Inc предлагает широкий выбор продуктов для управления частотой и магнитных полей. Существует также обширная библиотека с техническими руководствами, обучающими видео и эталонными проектами, которые вы можете просмотреть.

ЕСС. Веб-сайт Inc

Воспользуйтесь следующими ссылками на нашу библиотеку технических ресурсов:

Технические руководства

Видеообучение

Эталонные конструкции

[1] SAW, — резонатор на поверхностных акустических волнах (SAW). Однопортовый резонатор на ПАВ имеет один IDT (Inter Digital Transducer), изготовленный на кварцевой подложке, он генерирует и принимает ПАВ.Конструкция имеет два решетчатых отражателя, они отражают ПАВ и создают стоячую волну между двумя отражателями. Затем он преобразуется обратно в электрический сигнал.

[2] МЭМС – микроэлектромеханическая система. Резонатор MEMS представляет собой кремниевое устройство, в котором используется нанометровая резонансная структура для создания вибрирующей структуры.

ECS Inc. стремится поставлять высокотехнологичные электронные компоненты, которые помогут вам создать мир, связанный с Интернетом вещей. Для получения дополнительной информации о продуктах ECS Inc нажмите здесь.

Xtal Operation » Примечания по электронике

Работа кристаллов кварца зависит от пьезоэлектрического эффекта, который связывает механические резонансы с электрической системой.


Кристаллы кварца, Xtals Учебное пособие Включает:
Кристаллы кварца: Xtals Что такое кварц Как работает кристалл Операция кристального обертона Вытягивание частоты кристалла кварца Огранка кварцевого хрусталя Кварцевое старение Производство кристаллических резонаторов Как определить кристалл кварца VCXO ТСХО ОСХО Кристаллический фильтр Монолитный кристаллический фильтр Керамический резонатор и фильтр Характеристики керамического фильтра


Работа кварцевых резонаторов или xtals зависит от пьезоэлектрического эффекта и резких механических резонансов материала.

Электрические сигналы преобразуются из их электрической формы в механические вибрации. Именно на эти вибрации воздействуют механические резонансы кварцевого кристалла, а затем они снова включаются в электрическую систему.

Потери, связанные с кристаллами кварца, очень малы, а это означает, что селективность или добротность чрезвычайно высоки.

Обозначение схемы кварцевого резонатора, xtal

Пьезоэлектрический эффект

При рассмотрении того, как работает кристалл кварца, в первую очередь необходимо понять основы пьезоэлектрического эффекта.

Это эффект, который проявляется в ряде материалов, как природных, так и синтетических.

Пьезоэлектрический эффект наблюдается в кварце, а также в ряде керамических материалов, используемых в электронной промышленности, а также в ряде органических веществ. Именно по этой причине доступны некоторые керамические резонаторы, хотя их характеристики не равны характеристикам кварца с точки зрения использования в качестве резонатора.

Пейзоэлектрический эффект используется не только в резонаторах, но и в электрических преобразователях — датчиках движения, датчиках напряжения, кристаллических микрофонах и многом другом.

Когда возникает пьезоэлектрический эффект, в некоторых твердых материалах возникает электрический заряд в результате приложенного механического напряжения. Этот эффект преобразует механическое напряжение в кристалле в напряжение и наоборот, т. Е. Напряжение может вызвать образование заряда в материале, или размещение заряда в материале вызовет возникновение напряжения.

Как работает кварцевый резонатор: основы

При работе кварцевого кристалла обнаружено, что пьезоэлектрический эффект преобразует электрические импульсы в механическое напряжение, которое подвергается механическим резонансам кристалла с очень высокой добротностью, и это, в свою очередь, снова включается в электрическую цепь.

Кристалл кварца может вибрировать по-разному, а это значит, что у него есть несколько резонансов — каждый на разной частоте.

К счастью, способ, которым заготовка кварцевого кристалла вырезается из самого исходного кристалла, может очень значительно уменьшить это. На самом деле угол граней относительно исходных осей кристалла определяет многие его свойства, от того, как он вибрирует, до его активности Q и его температурного коэффициента.

Если посмотреть на то, как работает резонатор из кварцевого кристалла, можно увидеть, что кристалл может вибрировать тремя основными способами:

  • Продольный режим:   В продольном режиме кристалл удлиняется и укорачивается.Это приводит к тому, что центр становится тоньше, когда кристалл расширяется, и толще, когда он укорачивается.
    Кварцевый резонатор продольной вибрации
  • Низкочастотный режим сдвига грани: Для кристаллов, работающих в этом режиме, вся прямоугольная форма кристалла вибрирует, как показано ниже.
    Резонатор из кварцевого кристалла, низкочастотная сдвиговая вибрация
  • Высокочастотный сдвиг:   Режим высокочастотного сдвига используется для большинства кварцевых резонаторов, работающих в диапазоне от 1 МГц и выше.
    Резонатор из кварцевого кристалла высокочастотная сдвиговая вибрация

Способ вырезания заготовки из массивного кристалла влияет на характер его вибрации. В частности, большое влияние оказывает угол, под которым он срезан относительно осей объемного кристалла кварца. Есть несколько стандартных «разрезов», которым даны имена, и они имеют известные и полезные параметры производительности. Разрез, известный как разрез AT, используется для большинства кристаллов, используемых в традиционных радио- и электронных схемах, и он обычно вибрирует с использованием режима высокочастотного сдвига.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Для анализа электрического отклика кварцевого резонатора очень часто бывает полезно изобразить его в виде эквивалентных электрических компонентов, которые потребуются для его замены. Затем эту эквивалентную схему можно использовать для анализа ее реакции и прогнозирования ее производительности, как показано на диаграмме ниже:

Приведенную ниже эквивалентную схему часто называют четырехпараметрической моделью кристалла, и ее достаточно для многих расчетов и иллюстрации работы кристалла.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Можно приравнять эти теоретические составляющие компоненты к реальным физическим свойствам кристалла:

  • L:   Индуктивность возникает из-за массы материала.
  • C1: Эта емкость возникает из-за податливости кристалла.
  • R:   Этот элемент возникает из-за потерь в системе. Самые большие из них возникают из-за потерь на трение при механических колебаниях кристалла.
  • Co :  Эта емкость в теоретической эквивалентной схеме кварцевого кристалла возникает из-за емкости между электродами кристаллического элемента. Это часто называют шунтирующей емкостью.

Помимо использования в генераторах, кристаллы кварца находят применение в фильтрах. Здесь они предлагают уровни производительности, которые не могут быть достигнуты другими формами фильтров. Часто в одном фильтре можно использовать несколько кристаллов, чтобы обеспечить правильную форму.

Кристаллический параллельный и последовательный резонанс

Есть два режима, в которых может работать кварцевый генератор, и они показаны на эквивалентной принципиальной схеме.

Кварцевые резонаторы

могут работать в любом режиме, и на самом деле разница между параллельными и последовательными резонансными частотами довольно мала. Обычно они различаются всего на 1%.

Характеристика импеданса кварцевого резонатора

Из этих двух режимов чаще используется параллельный режим, но можно использовать любой из них.Схемы генератора для использования различных режимов, естественно, различаются, поскольку один колеблется, когда кварц достигает своего максимального импеданса, а другой работает, когда кварц достигает своего минимального импеданса.

Crystal Q, добротность

Добротность или добротность является важным аспектом резонанса кварцевого кристалла. Кристаллы предлагают очень высокий уровень Q, иногда превышающий 100 000.

Соответственно, необходимо иметь возможность рассчитать уровень добротности, чтобы иметь возможность определить другие ограничения и конструктивные соображения для схемы, в которой он должен работать.

Существует простое уравнение, позволяющее рассчитать значение Q для данного кристалла.

Из этого видно, что последовательная емкость оказывает большое влияние на добротность. Уменьшение последовательной емкости увеличивает добротность прямо пропорционально для данной частоты.

Кварцевые резонаторы представляют собой сложную связь между электрическими и механическими областями. Хотя в теории кажется, что теоретические операции выглядят довольно просто, на практике многие эффекты работают вместе и могут соединяться неожиданным образом.Нередко резонаторы из кварцевого кристалла возбуждаются другой модой в конкретной цепи и, следовательно, работают на неправильной частоте. Понимание того, как работают кварцевые резонаторы, может помочь выявить эти проблемы в маловероятном случае их возникновения. Часто в этом случае достаточно добавить к генератору широкий резонансный контур, чтобы гарантировать, что он может работать только в требуемом режиме.

Другие электронные компоненты:
Резисторы конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор полевой транзистор Типы памяти Тиристор Соединители ВЧ-разъемы Клапаны/трубки Батареи Переключатели Реле
    Вернуться в меню «Компоненты».. .

Принцип работы — 深圳市聚强晶体有限公司

(TCXO), кварцевый генератор с регулируемым напряжением (VCXO), кварцевый генератор с термостатическим управлением (OCXO), кварцевый генератор с оцифрованной компенсацией / μp (TCXO), кварцевый генератор с регулируемой температурой DCXO / MCXO) и несколько других типов. Среди них наиболее простым является кварцевый генератор с температурной компенсацией, который в японском отраслевом стандарте (JIS) называется стандартным кварцевым генератором (SPXO).SPXO теперь является примером, кратким введением в структуру и принцип работы кварцевого генератора.

Кристалл кварца, природного и искусственного происхождения, является важным пьезоэлектрическим кристаллическим материалом. Кварцевый кристалл сам по себе не является генератором, он только с помощью активной сети возбуждения и пассивной реактивности может производить колебания. SPXO в основном состоит из кварцевых резонаторов с высоким коэффициентом добротности (Q) и кварцевого генератора (т. е. кварцевого генератора) и схемы генератора с обратной связью.Кварцевый генератор является важным компонентом генератора, частота кристалла (частота основной или n-й гармоники) и его температурные характеристики в значительной степени зависят от ориентации его сечения. Базовая структура кварцевого резонатора (металлическая оболочка) и его эквивалентная схема показаны на рисунке 1.

Пока пластина кварцевого генератора при приложении переменного напряжения будет производить механическую деформацию вибрации пластины, это явление является так называемым обратным пьезоэлектрическим эффектом.Когда частота приложенного напряжения равна собственной частоте кристаллического резонатора, возникает пьезоэлектрический резонанс, приводящий к резкому увеличению амплитуды механической деформации. В эквивалентной схеме кварцевого резонатора, показанной на рис. 1 (в), Co представляет собой пластину

(A) структура кварцевого генератора

(B) Схема корпуса в металлическом корпусе (c) Эквивалентная схема

И металлическая пластина между электростатической емкостью; L, C — эквивалентный параметр пьезоэлектрического резонатора; R для потерь на вибротрение эквивалентного сопротивления.Кварцевый резонатор имеет последовательную резонансную частоту fos (1/2π), а также параллельную резонансную частоту fop (1/2π). Поскольку разница между Co? C, fop и fos малы, а R? ООЛ, Р? 1 /? О.К., добротность добротности резонансного контура очень высока (до нескольких миллионов), так что состав кварцевого резонатора со стабильностью частоты генератора очень высок, до 10-12/день. Частота колебаний кварцевого генератора может быть аналогична работе в fos, но также работать вблизи fop, поэтому кварцевый генератор можно разделить на два типа: параллельный и параллельный.Принцип работы кварцевого генератора легко понять, заменив компоненты индуктивности (L) и емкости (C) LC-генератора на кварцевый резонатор и его эквивалентную схему.

Общая точность SPXO (включая точность запуска и изменения температуры, напряжения и нагрузки) может достигать ± 25 ppm. SPXO не имеет ни температуры, ни мер контроля температуры, его частотные и температурные характеристики почти полностью зависят от частоты кварцевого генератора и температурных характеристик решения.В диапазоне 0 ~ 70 ℃ стабильность частоты SPXO обычно составляет 20 ~ 1000 ppm, SPXO можно использовать в качестве тактового генератора.

Физический принцип кварцевого генератора

Время выхода: 27 марта 2020 г. Просмотр раз: 2270 раз

Структура кварцевого генератора очень проста. Его ядро ​​представляет собой кусок кристалла кварца. Кварц в природе находится в гексагональном состоянии. Если кристалл нарезать на срезы в соответствии с определенной ориентацией, это кварцевая пластина.Нанесите тонкий слой серебра на обе стороны чипа, а затем припаяйте два вывода. Помещенный в металлический или стеклянный корпус, он становится генератором на кварцевом кристалле.

Quartz представляет собой изолятор с посеребренными электродами с обеих сторон. Это типичный конденсатор с параллельными пластинами, когда кристалл не работает. Его емкость невелика, обычно от нескольких пф до десятков пф. Т

Кристалл кварца имеет очень замечательную характеристику: когда механическая сила прикладывается к пластине, создается электрическое поле в соответствующем направлении пластины; в свою очередь, электрическое поле прикладывается между двумя электродами кварцевой пластины, и пластина механически деформируется.Это физическое явление называется пьезоэлектрическим эффектом. Теперь подайте переменное напряжение на два полюса кварцевой пластины, и оно вызовет механическую вибрацию. Механическая вибрация вызовет переменное электрическое поле на пластине. Просто амплитуда этой механической вибрации и изменение переменного электрического поля очень малы. Амплитуда будет резко возрастать только тогда, когда частота приложенного переменного напряжения будет равна определенной частоте.Это явление называется пьезоэлектрическим резонансом. Конкретная частота называется собственной частотой или резонансной частотой кварцевого кристалла. Собственная частота определяется размером пластины и углом резки.

Кварцевый осциллятор имеет довольно стабильную частоту колебаний, поскольку на фиксированную частоту кварцевого кристалла мало влияют изменения температуры. Этот эффект связан с тем, как кристалл кварца разрезается на тонкие пластины. Параметры собственной частоты кристаллов кварца в основном зависят от толщины среза и обратно пропорциональны толщине.


Приведу простой пример: в наших ежедневных кварцевых часах используется кристалл с частотой 32,768 кГц, а погрешность времени хода составляет от 0,5 до 1 секунды, в то время как погрешность механических часов может превышать 30 секунд. Под влиянием температуры ход механических часов меняется в зависимости от колебаний температуры.

В радиолокации, навигации, глобальной спутниковой системе позиционирования (GPS) и других областях стабильность сигнала определяет точность времени измерения.Кроме того, он определяет точность и точность пеленга цели и расстояния до цели. Ошибка синхронизации в 1 микросекунду вызовет ошибку позиционирования около 150 метров. Поэтому стабильность частоты используемого кварцевого генератора очень высока.

Кварцевые резонаторы и генераторы. Часть 1. Основы работы с кристаллами

Функция генератора или часов является ключом почти ко всем электронным схемам, и в большинстве (но не во всех) случаях сердцем этой схемы генератора является крошечный кусочек кварца, называется кристаллической заготовкой или плитой.Легко и банально думать о кристалле как о простом компоненте, но, как и в случае с большинством компонентов, это заблуждение и неверно; есть много аспектов самого материала и того, как он используется, независимо от области применения и электроники. В этом FAQ будет рассмотрена сама заготовка из кварцевого кристалла, а также некоторые тонкости и вариации, которым может подвергаться кристалл.

Существуют альтернативы кристаллу на основе кварца, такие как резонаторы на основе МЭМС, которые завоевывают все большую долю рынка, и очень простые LC-резонансные «резервуарные» схемы для бюджетных приложений и с невысокими требованиями к производительности.

В: Как давно кристаллы кварца используются в цепях в качестве частотозадающих элементов?

A: С начала 20 -го -го века. Хотя пьезоэлектрический эффект, который они используют (обсуждаемый ниже), был хорошо известен задолго до этого, для этих кварцевых элементов не было места, поскольку не существовало радио и электроники.

В: Откуда берется кварц?

A: В течение многих десятилетий добытый природный кварц был единственным вариантом, в основном из Бразилии.Кварц разрезали по определенным кристаллическим осям, а затем полировали. Однако с 1970-х годов синтетические кристаллы кварца выращивались так же, как слитки кремния (и с использованием многих из тех же методов и процессов). Это приводит к более совершенным кристаллическим структурам, которые обеспечивают значительно улучшенные и более стабильные характеристики.

В: Насколько важны эти кристаллы для определения частоты?

А: Очень, очень важно. Они широко используются для генерации системных часов, а также для установления единой основной частоты в передатчике и приемнике, при этом все необходимые несущие каналы затем выводятся с помощью синтезатора.До появления такой настройки радио можно было настроить одним из двух способов: либо путем ручной настройки LC с помощью ручки и диска, либо с помощью кристалла для установки частоты каждого канала. Первый был дешевым, но неточным; последний был точным, но требовал много кристаллов. Во время Второй мировой войны наличие нужных кристаллов было настолько важно, что в Инженерном корпусе армии была специальная команда квалифицированных «шлифовщиков кристаллов», единственной задачей которых было резать, шлифовать и настраивать кристаллы для военных радиоканалов, а также менять их по мере необходимости. нужный.

Разработка синтезаторов частоты изменила потребность в кристаллах и их использование. Например, в 1970-х годах было очень популярно радио Citizen’s Band с 23 полнодуплексными каналами, назначенными в диапазоне 27 МГц. Некоторые «полнодиапазонные» радиостанции имели 23 кристалла каналов передачи и 23 кристалла каналов приема (всего 46) для доступа ко всем назначенным каналам; в других радиоприемниках были слоты только для двух-шести пар кристаллов, и пользователям приходилось физически удалять и заменять кристаллы, если они хотели перейти на другие каналы.Напротив, для синтезированного радио необходим только один мастер-кристалл.

В: Каков основной принцип генератора на основе кварца?

A:  Еще одно проявление пьезоэлектрического эффекта, характеризующее двойственность: при воздействии на кристалл (не обязательно кварц) электрического поля (напряжения) его размеры изменяются при обратимом воздействии; когда кристалл находится под напряжением, он создает небольшое напряжение. Этот принцип используется в пьезоэлектрических приводах, небольших аудиоколонках, датчиках давления и многих других устройствах.

В: Как кварцевая заготовка становится генератором?

А: Заготовка кварца используется в схеме генератора в качестве резонирующего элемента. Под воздействием потенциала напряжения он начнет вибрировать и колебаться на своей «основной частоте». Это взаимосвязь: электрическая цепь поддерживает механический резонанс и наоборот. Кристалл используется в контуре обратной связи генератора для ограничения частоты генератора, Рисунок 1 .

Рис. 1. Многочисленные этапы от необработанной заготовки кристалла кварца до упакованного конечного изделия требуют точности и совершенства. (Источник изображения: Slideshare.net)

В: Какие типы цепей используются для генератора?

A: Существует множество используемых топологий, среди наиболее известных — генераторы Хартли, Пирса и Колпитца. Каждое устройство имеет компромиссы с точки зрения сложности, стоимости, стабильности и совместимости с электрическими характеристиками кварцевой заготовки. Понимание этих характеристик имеет решающее значение для схемы высокопроизводительного генератора, в том числе для того, используется ли кварц в последовательном или параллельном резонансном режиме.

В: Каковы электрические характеристики кварцевой заготовки?

A: Материал кристалла и заготовка интенсивно изучались с точки зрения электрических, механических и термических характеристик на протяжении десятилетий, поскольку их характеристики очень важны во многих системах. Механическая модель, Рис. 2 , и электрическая модель, Рис. 3 , тесно связаны друг с другом. Детализация электрической модели будет увеличиваться по мере того, как будут добавляться электрические паразиты и тонкие механические атрибуты, а также по мере увеличения частоты и уменьшения бланка.

Рис. 2: Упрощенная механическая модель кварцевой плиты является основой для электрической эквивалентной модели; эта модель становится все более сложной по мере того, как требуется большая точность. (Источник изображения: Maxim Integrated) Рис. 3. Электрическая модель является аналогом механической модели и необходима для разработки подходящей схемы высокопроизводительного генератора. (Источник изображения: Maxim Integrated)

В: Каков диапазон рабочих частот кварцевого генератора?

A: В зависимости от размеров кварцевой заготовки и соответствующего генератора она может варьироваться от 50 кГц до нескольких десятков МГц.Кроме того, кварцевая заготовка становится настолько тонкой (для достижения более высокого естественного механического резонанса), что становится хрупкой и ломается при обычном использовании.

В: Так как же генерировать частоты ниже или выше этого диапазона?

A: Вы можете использовать делитель или контур фазовой автоподстройки частоты (PLL) для преобразования с понижением частоты; для преобразования вы также можете использовать PLL. До появления PLL и синтезаторов было другое решение: кристаллы и их генераторы были разработаны для работы со многими гармоническими обертонами, а затем использовалась фильтрация для выбора гармоники 3 rd или 5 th вместо основного резонанса.Это обеспечивает решение, но требует тщательного выбора типа и характеристик кварцевой заготовки, а также схемы генератора.

В: Существуют ли стандартные частоты кристаллов?

А: Да, абсолютно. В то время как кристаллические заготовки могут быть изготовлены практически для любой частоты в широком диапазоне, существуют стандартные заготовки для таких частот, как 100 кГц, 1 МГц, 10 МГц, 3,579545 МГц (часто называемая «3,58 МГц», необходимая для устаревшего аналогового цвета). TV) и других массовых приложений для массового рынка.В персональных цифровых часах обычно используется кварц с частотой 32 768 Гц, поскольку эту частоту можно легко разделить с помощью триггерной цепочки до одного импульса в секунду (32 768 = 2 90 134 15 90 135 ).

В: Как кварцевая заготовка физически подключена к схеме?

A: Плоские электроды набиваются на противоположные поверхности заготовки. Это могут быть тонкие металлические детали или контактные поверхности с гальваническим покрытием. Затем узел помещается в корпус (часто металлический) для его физической защиты и уменьшения влияния электрических помех, Рисунок 4 .

Рис. 4. В зависимости от размера и области применения готовые банки предлагаются в различных упаковках; большинство из них герметичны, чтобы защитить бланк и помочь в достижении стабильной производительности. (Источник изображения: AOR, LTD)

В: Насколько велика кварцевая заготовка?

A: Это функция частоты, но типичная заготовка среднечастотного кристалла имеет размеры от нескольких квадратных миллиметров до примерно 10 мм × 5 мм × 1 мм; некоторые кристаллы имеют размер всего один или два миллиметра с каждой стороны.

В: Как настраивается банк на нужную резонансную частоту?

A: Точной шлифовкой и полировкой, как стеклянная линза.Многие годы это делалось вручную искусными мастерами; теперь он, конечно, автоматизирован, подготовка и измерение выполняются одновременно.

В: Каковы основные рабочие параметры кристалла?

A: Конечно, их много: начальная частота резонанса, точность этой частоты, время запуска, фазовый шум (джиттер), кратковременная стабильность (дрейф) и долговременная стабильность (дрейф) входят в число основных параметров. ключевые. Многие характеристики представлены в частях на миллион (ppm) или в процентах: 0.0001% соответствует 1 части на миллион.

В: Какие проблемы с дрейфом/стабильностью?

A: Как и все механические компоненты, кварцевые заготовки незначительно, но существенно меняются в зависимости от температуры. Следовательно, изменение температуры окружающей среды или рабочей температуры даже на несколько градусов изменит их естественный резонанс и, следовательно, их ключевые характеристики. Далее, по мере «старения» кристалла в процессе эксплуатации из-за многократного механического воздействия свойства кварца меняются, а вместе с ним и резонансная частота (аналогично многократному изгибу металла или проковке металлической поверхности).

Часть 2 этого FAQ обсуждает производительность кварцевых генераторов и то, что можно сделать, чтобы получить более высокую производительность, а также сохранить начальную точность во времени и температуре. Эти факторы имеют решающее значение для производительности схемы и приложения.

Существует бесчисленное множество технических документов, трактатов, заметок по применению, руководств поставщиков и других вспомогательных материалов, поэтому это очень важная тема. Некоторые легко читаются и применимы, в то время как другие углубляются в основы физики (это не значит, что от них мало пользы; они очень полезны).Среди множества таких:

  • Maxim Integrated, Учебное пособие 5265, «Разработка кварцевого генератора, соответствующего вашему приложению»
  • Википедия, «Кристаллический осциллятор»
  • Bliley Technologies, «Понимание типов кристаллов внутри ваших генераторов»
  • Bliley Technologies, «Выбор наилучшего типа кварцевого генератора для вашего приложения»
  • Bliley Technologies, «Два наиболее важных качества OCXO»
  • Радиоэлектроника, «TCXO, кварцевый генератор с температурной компенсацией»
  • SiTime Corp, «Кремниевые генераторы на основе МЭМС»,

См.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *