Установка кварцевых резонаторов на печатную плату: Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы | ООО НПП «МЕТЕОР-КУРС»

Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы | ООО НПП «МЕТЕОР-КУРС»

Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы | ООО НПП «МЕТЕОР-КУРС»

ООО НПП «МЕТЕОР-КУРС» предлагает пьезоэлектрические кварцевые резонаторы, лангаситовые резонаторы на основе монокристалла лантан-галлиевого силиката, резонаторы на обратной меза-структуре в стандартных, в том числе микроминиатюрных, металлостеклянных и металлокерамических корпусах поверхностного монтажа SMD (СМД) .

Серийные

⁶⁷

Перспективные

⁰

Архив

⁰

Сбросить

Фильтрация

Сбросить

Диапазон номинальных частот, МГц

от до

Категория качества

ВП ОТК

Материал

Кварцевые Лангаситовые

Тип корпуса

СМД7 (7,2х5,2х1,3 мм) СМД6 (6,1х3,6х1,1 мм) СМД5 (5,2х3,4х1 мм) СМД3 (3,2х2,5 мм) МИ1 (7,8х3,2х8,0 мм) МИ5 (7,8х3,2х6,0 мм) МИ4 (7,8х3,2х5,0 мм) МН (7,2х2,8х7,0 мм) МР (7,2х2,8х5,0 мм) ММ (7,2х2,8х7,0 мм)

Особенности

Вакуумные Герметизированные Металлостеклянный корпус Металлокерамический корпус Под поверхностный монтаж Монтаж в отверстия печатной платы

Точность настройки, х10^-6

Рабочая температура, °С

Максимальное относительное изменение рабочей частоты в интервале температур,
х10^-6

Порядок колебаний

Сортировать список:

По диапозону частот, МГц

По рабочей t, °С

Диапазон номинальных частот, МГц

от до

Категория качества

ВП ОТК

Материал

Кварцевые Лангаситовые

Тип корпуса

СМД7 (7,2х5,2х1,3 мм) СМД6 (6,1х3,6х1,1 мм) СМД5 (5,2х3,4х1 мм) СМД3 (3,2х2,5 мм) МИ1 (7,8х3,2х8,0 мм) МИ5 (7,8х3,2х6,0 мм) МИ4 (7,8х3,2х5,0 мм) МН (7,2х2,8х7,0 мм) МР (7,2х2,8х5,0 мм) ММ (7,2х2,8х7,0 мм)

Особенности

Вакуумные Герметизированные Металлостеклянный корпус Металлокерамический корпус Под поверхностный монтаж Монтаж в отверстия печатной платы

Точность настройки, х10^-6

Рабочая температура, °С

Максимальное относительное изменение рабочей частоты в интервале температур,
х10^-6

Порядок колебаний

Сбросить

ООО НПП «МЕТЕОР-КУРС», компания-разработчик и производитель пьезоэлектрических резонаторов, имеет широкую географию оптовых поставок и ассортимент производства. На нашем сайте вы можете купить кварцевые резонаторы. Мы готовы осуществлять поставки резонаторов во все промышленные центры РФ, такие как: Москва и Подмосковье, Санкт-Петербург, Новосибирск, Екатеринбург, Нижний Новгород, Самара, Казань, Омск, Челябинск, Ростов-на-Дону, Уфа, Пермь, Волгоград, Красноярск, Воронеж, Саратов, Краснодар, Тольятти, Барнаул, Ульяновск, Ижевск, Ярославль, Владивосток, Тюмень, Хабаровск, Иркутск, Новокузнецк, Оренбург, Томск, Кемерово, Рязань, Набережные Челны, Пенза, Астрахань, Липецк, Улан-Удэ, Якутск, Чита и др.

Кварцевый резонатор.

В современной электронике, особенно в цифровой сложно не найти электронный компонент под названием кварцевый резонатор. По своей сути, кварцевый резонатор является аналогом колебательного контура на основе ёмкости и индуктивности. Правда, кварцевый резонатор превосходит LC-контур по очень важным параметрам.

Как известно, колебательный контур характеризуется добротностью. Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой добротностью, которая недостижима при использовании обычного колебательного LC-контура. Если добротность обычных контуров лежит в пределах 100 – 300, то для кварцевых резонаторов величина добротности достигает 10⁵ – 10⁷.

Ёмкость конденсатора довольно сильно зависит от температуры окружающей среды. У конденсаторов даже есть параметр, который называется ТКЕ (температурный коэффициент ёмкости). Он показывает насколько измениться ёмкость конденсатора при изменении температуры.

Естественно, при применении конденсатора в составе LC-контура, частота его колебаний будет очень сильно зависеть от внешней температуры среды. То же касается и индуктивности, у которой также есть своя температурная характеристика – ТКИ.

Понятно, что для использования в цифровой технике (в том числе и в технике связи) требуется более стабильный и надёжный источник гармонических колебаний.

Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой температурной стабильностью. Именно благодаря высокой добротности и температурной стабильности кварцевые резонаторы применяются в радиотехнике очень активно.

Любой процессор или микроконтроллер работает на определённой тактовой частоте. Понятно, что для задания тактовой частоты необходим генератор. Такой генератор в качестве источника высокоточных гармонических колебаний, как правило, использует кварцевый резонатор. В тех схемах, где высокая добротность не требуется, могут применяться резонаторы на основе керамики – керамические резонаторы. Добротность резонаторов на основе пьезокерамики составляет не более 10³. Их можно встретить в пультах дистанционного управления, электронных игрушках, бытовых радиоприёмниках.

Принцип работы кварцевого резонатора.

Принцип работы кварцевого резонатора целиком и полностью опирается на пьезоэлектрический эффект. Основой любого кварцевого резонатора является пластинка из кварца. Кварц – это одна из разновидностей кремнезема SiO₂. Для изготовления резонаторов пригоден только лишь низкотемпературный кварц, который обладает пьезоэлектрическими свойствами. В природе такой кварц встречается в виде кристаллов и бесформенной гальки.

Кристалл кварца

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

Чтобы изготовить кварцевую пластинку берётся кристалл кварца и из него под определённым углом вырезается пластинка. От угла, под которым происходит срез, зависят электромеханические свойства кварцевой пластины. Тип среза существенно влияет на температурную стабильность, количество паразитных резонансов, резонансную частоту.

Далее на две стороны кварцевой пластины наносят металлизированный слой (из серебра, никеля, золота или платины) и посредством жёстких проволочных контактов закрепляют в кварцедержателе. Всю эту конструкцию помещают в герметичный корпус.

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

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

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора изображена на рисунке.

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора

Здесь С₀ – это постоянная (статическая) ёмкость образующаяся за счёт металлических пластин-электродов и держателя. Последовательно соединённые индуктивность L1,конденсатор С1 и активное сопротивление R_акт. отражают электромеханические свойства кварцевой пластинки. Как видим, если отбросить ёмкость монтажа и кварцедержателя С₀, то получиться последовательный колебательный контур.

При монтаже кварцевого резонатора на печатную плату стоит позаботиться о том, чтобы не перегреть его. Эта рекомендация наверняка связана с тем, что конструкция кварцевого резонатора довольно тонкая. Температурный перегрев может вызвать деформацию кварцедержателя и пластинок-электродов. Естественно, всё это может отразиться на качестве работы резонатора в схеме.

Также известно, что если кварц нагреть свыше 573°C, то он превращается в высокотемпературный кварц и лишается своих пьезоэлектрических свойств. Конечно, довести температуру кварца до такой температуры оборудованием для пайки нереально.

Обозначение кварцевого резонатора.

На принципиальных схемах и в технической документации кварцевый резонатор обозначается наподобие конденсатора, только между пластинами добавлен прямоугольник, который символизирует пластинку кварца. Рядом с графическим изображением указывается буква Z или ZQ.

Условное обозначение кварцевого резонатора на схемах

Как проверить кварцевый резонатор?

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

К сожалению, достоверно проверить кварцевый резонатор можно только заменой. Причиной неисправности кварцевого резонатора может быть сильный удар либо падение электронного прибора, в котором он был установлен. Поэтому если есть подозрение в исправности кварцевого резонатора, то его стоит заменить новым. К счастью в практике ремонта неисправность кварцевого резонатора встречается редко, конечно, есть и исключения, но они относятся к портативной электронике, которую частенько роняют.

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

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

• Транзистор. Обозначение на схемах.

• Динистор.Принцип работы и обозначение динистора.

 

Кварц и осциллятор Вопросы проектирования печатной платы

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

Скачать PDF

При размещении вашей печатной платы для размещения компонентов и предоставления им наилучшей возможности работать в лучшем виде это сложная задача, такая как сигналы синхронизации и их маршрутизация. Если мы будем следовать некоторым стандартным отраслевым правилам, проблемы с электромагнитными помехами можно свести к минимуму без необходимости использования сложных формул и дорогостоящих инструментов моделирования.

Причина, по которой компоновка печатной платы становится все более и более важной, заключается в тенденции к уменьшению размера платы и увеличению интеграции. Меньшие форм-факторы и менее мощная электроника — все это приводит к дополнительным соображениям. Чем выше частота переключения, тем больше излучения будет генерироваться. При хорошей компоновке многие проблемы с электромагнитными помехами можно свести к минимуму, чтобы обеспечить соответствие требуемым спецификациям. Ниже перечислены некоторые рекомендации, которым компания ECS Inc. International предлагает вам следовать в качестве добросовестной инженерной практики.

Руководство по проектированию печатной платы (PCB) Crystal

• Подключите кварцевый резонатор и конденсаторы внешней нагрузки на печатной плате как можно ближе к входным и выходным контактам генератора микросхемы.
• Длина дорожек в колебательном контуре должна быть как можно короче и не пересекать другие сигнальные линии.
• Избегайте изгибов трассы под прямым углом
• Убедитесь, что нагрузочные конденсаторы CX1, CX2 и CX3, в случае использования кристалла третьего обертона, имеют общую плоскость заземления.
• Контуры должны быть как можно меньше, чтобы свести к минимуму шум, проникающий через печатную плату, и максимально уменьшить любые паразитные помехи.
• Не размещайте схему заземления (GND) под кварцевым кристаллом.
• Не прокладывайте цифровые/радиосигнальные линии или линии питания под блоком кристалла для многослойной печатной платы.

Руководство по проектированию печатной платы генератора

• Разместите посадочное место генератора на печатной плате как можно ближе к входным контактам нагрузки или микросхемы.
• Длина трасс должна быть как можно короче и не должна пересекать другие сигнальные линии.
• Избегайте изгибов трасс под прямым углом. Емкость увеличивается в угловой области 45°, изменяя характеристический импеданс дорожки, что приводит к отражениям. Этого можно избежать, скруглив прямые углы.
• Используйте последовательную оконечную нагрузку для уменьшения стоячих волн между источником и оконечной нагрузкой. Это делается путем последовательного включения резистора как можно ближе к выходному выводу генератора. Для правильного согласования импеданса выходной импеданс тактового драйвера плюс последовательный согласующий резистор должен быть равен импедансу дорожки.
• Следите за тем, чтобы дифференциальные выходные трассы были как можно ближе к одной и той же длине. Это увеличивает коэффициент связи между дорожками, переводя шум в синфазный режим, что менее проблематично для дифференциального входного каскада.
• Хорошей практикой является подключение генератора к общей заземляющей пластине.
• Не размещайте схему заземления (GND) под кварцевым блоком, это увеличивает паразитную емкость.
• Не прокладывайте цифровые/радиосигнальные линии или линии питания под генераторами для многослойных печатных плат, так как это добавит шум.

Схема генератора Пирса

Вышеуказанные пункты важны для применения генераторов Пирса, используемых микропроцессорами. См. ниже схему и типичную компоновку генератора Пирса с использованием кристалла с 4 контактными площадками.

Контур кварцевого генератора имеет низкий входной импеданс на частоте генератора, но высокий входной импеданс за пределами диапазона резонансных частот.

Эта характеристика с высоким импедансом уязвима для электромагнитных помех, когда поблизости находится электрическое поле. В более новых технологиях уровень сигнала генератора ограничен значением <1 В, что делает его более чувствительным.

Чтобы подчеркнуть важность поддержания низкой паразитной емкости печатной платы, в расчетах выделена Cs. Чем ниже CL кристалла, тем большее влияние на конструкцию оказывает паразитная емкость печатной платы.

Соединения заземления с нагрузочными конденсаторами C1/C2 должны быть как можно короче, чтобы избежать токов заземления с другими цепями. Очень часто контакты XTAL IN и XTAL OUT находятся рядом на процессоре. Паразитная емкость может быть проблемой, поэтому дорожки должны быть проложены как можно дальше друг от друга, но при этом они должны быть как можно короче.

Типичные видимые емкости могут быть:

– XTAL IN на землю: 1 пФ

– XTAL OUT на землю: 2 пФ

– XTAL IN на XTAL OUT: 0,5 пФ

Наиболее распространенные типы кристаллов имеют герметичные корпуса, в которых крышка корпуса электрически соединена с контактами заземления. Для этого типа упаковки рекомендуется заземлять контакты, чтобы уменьшить вероятность электромагнитных помех от крышки. Следует отметить, что пакеты с запаянными швами обладают лучшими эксплуатационными характеристиками. Альтернативным методом герметизации является запаивание кристаллов стеклом, и за счет этого процесса крышка изолируется от заземляющих штифтов. В этом типе корпуса не рекомендуется заземлять выводы заземления кристалла.

Электромагнитная совместимость (ЭМС)

Электромагнитная совместимость — это способность электрических компонентов, оборудования и систем функционировать в соответствии с проектом в окружающей среде. Это достигается за счет ограничения непреднамеренной генерации, распространения и приема электромагнитной энергии. Эти нежелательные источники шума известны как электромагнитные помехи (EMI). Целью ЭМС является правильная работа различного оборудования в общей электромагнитной среде.

Плоскость заземления

Заземляющий слой эффективен при использовании с аналоговой или цифровой схемой и смесью компонентов. Заземляющие соединения выполняются по мере необходимости, а не равномерно по всей компоновке.

Заземляющий слой нельзя создать, просто заполнив все пустое пространство медью и соединив его с землей. Его функция состоит в том, чтобы обеспечить протекание обратного тока, и идеальная схема должна иметь минимальные прерывания. Поэтому используются многослойные доски. Целый унифицированный слой может быть выделен для заземления, один для питания, а другой для сигнализации. Это улучшает распределение межслойной емкости. Он также имеет дополнительное преимущество низкого импеданса между питанием и землей на высоких частотах.

Отдельные отверстия не имеют значения для заземляющего слоя, но большие слоты имеют значение. Когда заземляющий слой прерывается другими дорожками или отверстиями, нормальный ток с низкой индуктивностью отклоняется от препятствия, и индуктивность эффективно увеличивается.

Прерывания допустимы только в том случае, если они не пересекают линии потока с высоким значением di/dt. Дорожки под компонентами с большими токами переключения или быстрыми логическими фронтами вызовут наведенную емкость. Даже очень узкая дорожка, соединяющая два сегмента заземления, лучше, чем ничего. На высоких частотах, включая цифровые логические переходы фронтов, ток имеет тенденцию следовать по пути, который окружает наименьший магнитный поток. Это означает, что обратный ток заземляющего слоя будет концентрироваться под соответствующей сигнальной дорожкой.

Некоторые производители плат не рекомендуют оставлять большие участки меди, поскольку это может привести к деформации платы или растрескиванию припоя. Если это может быть проблемой, вы можете заменить сплошную заземляющую плоскость заштрихованной, не снижая ее эффективности. Чтобы выполнить паяное соединение с заземляющей пластиной или любым другим большим участком меди на поверхности платы, вы должны «вырвать» контактную площадку из заземляющего участка и соединить с помощью коротких отрезков дорожки. Это предотвращает действие заземляющего слоя в качестве теплоотвода во время пайки для надежных соединений.

Электромагнитные помехи (EMI)

Излучение — электромагнитные помехи

Что такое испытания на излучение (или электромагнитные помехи)?

Тестирование на излучение включает измерение напряженности электромагнитного поля излучения, которое непреднамеренно генерируется вашим продуктом. Излучения присущи коммутационным напряжениям и токам в любой цифровой схеме. Это позволит вам узнать, каков уровень выбросов, а затем вы сможете определить, повлияют ли они на производительность вашей системы или окружающих систем.

Типичные излучаемые режимы отказа

Существует практически неограниченное количество конструкций или электромеханических способов, с помощью которых можно создавать излучаемые помехи. Вот краткий список некоторых типичных проблем проектирования EMI:

• Помехи в кабелях
• Плохое заземление платы
• Неоптимизированный стек слоев
• Неэффективная развязка платы
• Плохая заделка кабеля
• Плохая целостность сигнала
• Шумный блок питания
• Размещение компонентов
• Разрезы на обратных путях
• Большие токовые петли
• Заземление радиаторов и ЖК-дисплеев
• Сегментированные грунтовые наполнители
• Сигналы близко к краю базовой плоскости
• Размещение развязывающего конденсатора
• Плохое заземление платы
• Развязывающий конденсатор
• Неэффективная развязка платы
• Сегментированные грунтовые наполнители
• Плохая целостность сигнала
• Большие токовые петли
• Размещение компонентов

Кондуктивные — EMI

Каждое электронное устройство создает электромагнитную энергию, и определенная ее часть будет передаваться на источник питания и, возможно, подключаться к внешнему источнику питания.

Чтобы ограничить количество помех, ваше устройство может подключаться обратно к источнику питания; испытательные лаборатории измеряют эти выбросы. Как правило, их интересуют излучения в полосе
150 кГц ~ 30 МГц. Они проверяют наличие радиации и проверяют, соответствуют ли они установленным ограничениям.

Процедуры и уровни тестирования электромагнитных помех

регулируются CISPR: Международный специальный комитет по радиопомехам. Для получения дополнительной информации посетите Международную электротехническую комиссию по адресу https://www.iec.ch/emc/iec_emc/iec_emc_players_cispr.htm

.

Испытания на выбросы

В соответствии со стандартом ANSI C63.4 LISN (или LISN) размещается на земле, а ваш продукт — на столе (или остается стоять на полу, если оборудование большое). РЧ-порт LISN подключается непосредственно к спектру. анализатор (или через ограничитель переходных процессов для предотвращения повреждения от скачков напряжения).

Кондуктивное излучение Применимость
Тестирование кондуктивного излучения обычно выполняется на устройствах, которые подключаются к источнику питания переменного тока. Это независимо от того, используете ли вы предварительно сертифицированный адаптер питания переменного/постоянного тока. Некоторые стандарты также накладывают ограничения на устройства, работающие от источника постоянного тока.

Рекомендации по кондуктивным помехам
Не вдаваясь в чрезмерные подробности проектирования схем для обеспечения соответствия требованиям к кондуктивным помехам, есть несколько простых способов, с помощью которых можно свести к минимуму риск неудачного испытания на проводимые помехи:

• Всегда используйте источник питания, соответствующий ограничениям, которые вам необходимо преодолеть
• Если ваше устройство относится к классу B, обязательно используйте адаптер класса B. Адаптер, который прошел только ограничения класса A, вряд ли приведет к системному прохождению. Адаптер класса B не гарантирует прохождения кондуктивных помех класса B, но он, безусловно, поможет.
• Аналогичным образом, для более строгих военных, медицинских, автомобильных или аэрокосмических ограничений всегда обращайтесь к поставщику, в спецификации которого заявлено соответствие соответствующему ограничению.
• Принесите в испытательную лабораторию как минимум 3 разных источника питания
• Если в вашем устройстве используется внешний адаптер питания переменного/постоянного тока, на всякий случай возьмите с собой аналоги других производителей. Если вы потерпите неудачу, вы можете поменять его местами и посмотреть, приведут ли другие поставки к успеху.
• Проверьте шины питания на наличие пульсаций.
• Если у вас есть хорошие чистые источники питания, есть вероятность, что ваш PDN и развязка находятся в хорошем состоянии. Если вы видите чрезмерную пульсацию или всплески от импульсных источников питания, этот шум вполне может присутствовать на стороне переменного тока вашего источника питания.
• Если есть существенная причина для разделения заземляющего слоя, например, для разделения аналогового и цифрового заземления во избежание наложения шумов, будьте осторожны, поскольку разделяющие заземляющие слои могут действовать как щелевые антенны и излучать. В этих случаях соединяйте разделенные заземляющие плоскости только в одной точке. Чем больше у вас общих соединений с землей, тем больше петель вы создаете и тем больше электромагнитных помех будет излучать ваша конструкция.
• Во многих конструкциях предусмотрены обходные и развязывающие конденсаторы; вы можете уменьшить путь обратного тока, подключив их к земле. Это уменьшает размер контура заземления и, следовательно, излучение. Просто убедитесь, что между силовой плоскостью и не относящейся к ней земляной плоскостью не подключен обходной конденсатор, который может вызвать емкостную связь.

Веб-сайт ECS Inc.

Воспользуйтесь следующими ссылками на нашу библиотеку технических ресурсов:

Технические руководства

Видеообучение

Эталонные конструкции

Кварцевые резонаторы » Electronics Notes

Кварцевые резонаторы

иногда называют резонаторами xtals, и в качестве резонаторов они обеспечивают чрезвычайно высокие уровни добротности для генераторов и фильтров и широко используются во многих приложениях для разработки радиочастотных цепей.

---

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

---

Кварцевые резонаторы используются для создания резонансных элементов с очень высокой добротностью во многих электронных схемах и, в частности, во многих схемах радиочастотных генераторов и фильтров. Часто в схемотехнике эти электронные компоненты могут обозначаться как «Xtals», а ссылки на них в схемотехнике могут даваться как xtal1 и т. д.

Кварцевые кристаллы

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

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

Резонаторы из кварцевого кристалла

доступны во многих размерах и форматах, чтобы удовлетворить требования большинства приложений. От небольших устройств для поверхностного монтажа до более крупных кристаллов, монтируемых через отверстия, а также кристаллов для разъемов, существует множество размеров и форматов для этих электронных компонентов.

Кварцевый резонатор HC49 с проволочными выводами

Основы кварцевого резонатора

Технология кварцевых резонаторов основана на замечательных свойствах кварца. При помещении в электронную схему кварцевый кристалл действует как настроенная схема. Однако у него исключительно высокий Q.

.

Обычные LC-схемы могут показывать значения в несколько сотен, если они тщательно спроектированы и изготовлены, но кварцевые кристаллы показывают значения до 100 000.

Помимо добротности, кристаллическая технология имеет ряд других преимуществ. Они очень стабильны по отношению к температуре и времени. На самом деле для большинства кристаллов эти цифры указаны, и обычно они могут составлять ± 5 частей на миллион (частей на миллион) в год для старения и ± 30 частей на миллион в диапазоне температур от 0 до 60 ° C.

Кристалл природного кварца

В процессе работы кварцевый кристалл использует пьезоэлектрический эффект для преобразования электрических сигналов в механические колебания. Они заставляют кристалл вибрировать, и механические резонансы кристалла затем воздействуют на механические колебания. Затем пьезоэлектрический эффект снова соединяется с электрическим доменом, и сигналы преобразуются обратно после воздействия механических резонансов.

Общий эффект заключается в том, что кварцевый кристалл связывает механические резонансы с очень высокой добротностью с электрическим доменом, позволяя высокостабильным резонансам с высокой добротностью влиять на электрические сигналы.

Подробнее о . . . . что такое кварц.

Символ схемы кварцевого кристалла

Условное обозначение кварцевого резонатора, используемого в электронных схемах, очень простое. Символ кристалла кварца показывает две пластины по обе стороны от основного кварцевого элемента. Он имеет две линии, одну сверху, а другую снизу с центральным прямоугольником.

Во многих отношениях символ схемы является хорошим представлением самого фактического кристалла, особенно потому, что ранние кристаллические резонаторы состояли из кварцевой пластины, удерживаемой между двумя проводящими пластинами.

Символ схемы кварцевого резонатора, xtal

В отличие от многих других символов схемы, существует очень мало вариаций символа схемы кварцевого резонатора, и, соответственно, он широко известен.

Принцип работы кварцевых резонаторов

Действие кристалла кварца основано на том факте, что кварц проявляет пьезоэлектрический эффект. Это означает, что когда напряжение создается поперек кристалла, наблюдается электродвижущая сила или электрический потенциал. Верно и обратное, то при приложении потенциала к кристаллу он немного отклоняется.

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

Что касается работы кварцевого кристалла в качестве высокодобротного резонатора, кварцевый кристалл может иметь электрический сигнал, такой как сигнал в радиоприемнике, помещенный через него. Это преобразуется в механическую вибрацию.

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

В любой электронной схеме полезно видеть эквивалентную схему кристалла, чтобы электронная схема могла быть выполнена правильно. Нормальная эквивалентная схема кварцевого резонатора приведена ниже.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Кварцевый резонатор использует

Кристаллы кварца

используются в двух основных формах применения: в качестве резонансного элемента в генераторах и в фильтрах. В обоих приложениях очень высокая добротность кварцевого резонатора позволяет достичь очень высоких уровней производительности, и именно поэтому они используются во многих общих схемах для недорогих часов, а также в более требовательных приложениях для разработки радиочастотных схем.

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

• Генераторы:   Высокая добротность кварцевого кристалла означает, что используемые генераторы могут обеспечить очень высокий уровень точности и стабильности. Существует несколько вариантов использования кварцевых резонаторов в электронной конструкции в зависимости от требований к производительности и ограничений по стоимости.
  • Кварцевый генератор — XO: Кварцевые резонаторы можно очень просто использовать в простой схеме генератора. Поскольку базовые кварцевые резонаторы относительно недороги, их часто используют в качестве резонатора в приложениях, где они, например, являются резонатором в тактовом генераторе для микропроцессора. Кварцевый резонатор, используемый на материнской плате ПК

    Обычно требования к точности этих генераторов не слишком высоки, поэтому затраты могут быть сведены к минимуму при использовании кварцевого кристалла. При использовании в этих приложениях кристаллы кварца дешевле, чем многие другие решения, которые не будут работать так же хорошо. Очевидно, что простые кварцевые генераторы используются и во многих других областях.

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

    Схемы просты и, как правило, включают использование переменного напряжения для управления варакторным диодом в кварцевой цепи. Изменение реактивного сопротивления варактора изменяет общую резонансную частоту кристалла и связанной с ним схемы.

    Однако ввиду высокой добротности кварцевого резонатора возможны лишь относительно небольшие изменения частоты. Эти схемы могут быть построены, или они доступны в виде коммерческих модулей.

    Подробнее о . . . . VCXO.

    
    

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

    Подробнее о . . . . TCXO.

    
    
  • Кварцевый осциллятор с печным управлением — OCXO:   Там, где требуется очень высокий уровень стабильности частоты, лучшим вариантом является кварцевый генератор с печным управлением. Эта форма кварцевого генератора, называемая OCXO: кварцевый генератор, управляемый духовкой, удерживает кристалл и связанные с ним схемы в «печи» с регулируемой температурой. Он работает при температуре выше температуры окружающей среды и поддерживается при постоянной температуре, пока работает генератор. Таким образом, любые изменения, вызванные изменениями температуры, сводятся к минимуму.

    Узнайте больше о . . . . OCXO.

    
    
• Фильтры:  Другим основным применением кварцевых резонаторов являются фильтры. Здесь резонатор используется в схеме, которая используется для приема полезных сигналов и отклонения нежелательных. Очень высокие уровни добротности, достигаемые при использовании кварца, означают, что эти фильтры обладают очень высокой производительностью.

  Кварцевые фильтры могут состоять из одного кристалла, но более сложные фильтры, обеспечивающие гораздо более высокий уровень производительности, могут быть изготовлены из шести или даже восьми кристаллов. Ввиду того, что эти фильтры требуют опыта и передовой конструкции радиочастотных схем, их часто получают в виде модулей фильтров, хотя многие из них производятся самими конечными производителями/разработчиками.

Кристалл кварца SMD

Преимущества и недостатки кристалла кварца

Технология кристаллов кварца предлагает очень много преимуществ, но есть и другие моменты, которые необходимо учитывать при рассмотрении вопроса об их использовании:

Преимущества кварцевых резонаторов:

• Очень высокая добротность резонатора:   Добротность кварцевого кристалла очень высока. Это, в свою очередь, отражает несколько преимуществ:
  
  • Очень стабильный сигнал при использовании в генераторе.
  • Низкий уровень фазового шума при использовании в генераторе.
  • При использовании в фильтре можно достичь очень высокого уровня селективности. Кристаллические фильтры способны обеспечить превосходную производительность и предоставляют одни из лучших вариантов резких фильтров в различных приложениях.
• Низкая стоимость:  Обычные кристаллы доступны по очень разумной цене. Их использование часто может привести к удешевлению часов или другого источника при использовании в качестве резонатора. Резонаторы из кварцевого кристалла с высокими техническими характеристиками, очевидно, стоят дороже.

Недостатки кварцевых резонаторов:

• Размер:   Резонансное поведение кристалла зависит от механических колебаний. В результате размер не может быть легко уменьшен, и они могут быть большими по сравнению с другими компонентами SMT. Тем не менее, кристаллы новой технологии поверхностного монтажа теперь доступны в очень маленьких упаковках.
• Пайка:   Ввиду их характеристик пайку необходимо проводить с осторожностью, соблюдая максимальную температуру и время пайки.
• Фиксированная частота:   Хотя это может быть и преимуществом, кристалл имеет свои собственные резонансные частоты. После того, как они выбраны и изготовлены, их нельзя изменить, хотя можно немного «подтянуть» частоту генератора.

Как и любая технология, эти электронные компоненты имеют как положительные, так и отрицательные стороны. Понимание этих проблем и преимуществ, которые они приносят, может помочь извлечь из них максимальную пользу на этапе проектирования электроники.

Кварцевый кристалл SMD в корпусе HC49

Кварцевый кристалл и временная шкала генераторов

С момента появления первых признаков пьезоэлектрического эффекта и действия кристаллов кварца потребовалось много лет, чтобы их развитие дошло до того состояния, в котором оно находится сейчас.

Ранние исследования продемонстрировали этот эффект, и прошло несколько лет, прежде чем была разработана радиотехнология и можно было продемонстрировать и затем уточнить действие кварцевых резонаторов или хталов.

Примечание об истории резонатора на кристалле кварца и временной шкале:

Кристаллы кварца стали неотъемлемой частью современной электроники, обеспечивая высокоэффективный резонатор по низкой цене. Эти компоненты разрабатывались в течение многих лет, и многие люди и организации участвовали в их разработке.

Подробнее о История кристалла кварца.

Как делают резонаторы из кварцевого кристалла

Кварцевые резонаторы производятся в огромных количествах. Производственный процесс начинается с сырого кремния, который превращается в синтетический кварц, а затем из него изготавливаются отдельные резонаторы из кварцевого кристалла. После изготовления основных кристаллов кварца их обрезают, а затем герметизируют.

В некоторых областях процесса производства кварцевых резонаторов некоторые элементы имеют некоторое сходство с элементами производства полупроводников, хотя производимые продукты очень разные.

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

Подробнее о . . . . изготовление кварцевых резонаторов.

Спецификация кварцевых резонаторов

При выборе кварцевого резонатора для схемы общего назначения или конструкции радиочастотной схемы необходимо выбрать множество параметров. Многие из них специфичны для работы кристалла и обычно не встречаются с другими электронными компонентами.

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

Решения о выборе различных параметров могут зависеть от других электронных компонентов в схеме или от общей электронной конструкции.

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

Подробнее о . . . . как определить кварцевый резонатор.