Кварцови резонатори: предназначение, приложение, принцип на действие, характеристики на употреба

За какво са кварцовите резонатори?

Съвременната цифрова електроника, пълна с микропроцесори и микроконтролери, е просто немислима без колебания на часовника. И там, където се получават колебанията на часовника, има функциониране на генератора и трептящата система, а там, където е трептящата система, задължително ще се проявят както явлението резонанс, така и такъв важен параметър като факторът за качество. Тук се запознаваме с кварцовите резонатори (осцилатори).

Кварцовият резонатор (кварц) е генератор на електромагнитни трептения с висока степен на честотно постоянство, който използва пиезоелектричните и механичните свойства на кварцовата плоча.

Според принципа на работа, кварцов резонатор е осцилатор с кварцово стабилизиране на честотата. Такива генератори се използват като високо стабилен главен генератор в измервателно оборудване, стандарти за честота и време, кварцови часовници, както и в различно електронно оборудване.

Недостатъкът на кварцовите резонатори е, че той може да генерира само при фиксирани честоти, определени от резонансната честота на кварца, и практически не позволява настройка на честотата.

Всички кварцови резонаторни вериги са разделени на две големи групи в зависимост от това какъв кварцов резонанс (паралелен или сериен) се използва в тях. Най -широко разпространени са кварцовите резонаторни вериги, в които кварцът работи близо до паралелната си резонансна честота.

И така, кварцов резонатор в електронна схема е ненадмината алтернатива на всеки колебателна веригасъстоящ се от кондензатор и индуктор. Изводът е най-високият Q-фактор на кварцовите резонатори. Докато добрата LC верига достига Q-фактор от 300, Q-факторът на кварцов резонатор може да достигне до 10 000 000. Както можете да видите, превъзходството е десетки хиляди пъти. По този начин никоя осцилираща верига не може да бъде сравнена с кварцов резонатор по отношение на Q-фактора.

Излишно е да се говори за ефекта на температурата върху резонансната честота. Резонансната честота на една и съща колебателна верига силно зависи от TKE (температурен коефициент на капацитет) на кондензатора, който влиза в нея. Кварцът, от друга страна, има много висока температурна стабилност, поради тази причина кварцовите резонатори здраво задържат позициите си като източници на колебания за генератори на тактова честота за различни цели.

Как работи кварцов резонатор

За да разберете как работи и работи кварцов резонатор, достатъчно е да запомните какво е пиезоелектричен ефект… Представете си плоча от нискотемпературен кварц (силициев диоксид), изрязан от кристал по определен начин. Ъгълът, под който се изрязва дадена плоча от кристала, определя електромеханичните свойства на произвеждания резонатор. Сега електродите са прикрепени към тази плоча от двете страни чрез нанасяне на слоеве от никел, платина, злато или сребро и към тях са прикрепени твърди проводници. Цялата конструкция е поставена в малък запечатан корпус.

Така се получи електромеханична колебателна система, която има (поради естествените особености на нискотемпературния кварц) пиезоелектричен ефект и има своя собствена резонансна честота.

Ако сега към електродите се приложи променливо напрежение, чиято честота е близка до резонансната честота на получената колебателна система, тогава плочата ще започне механично да се свива и разширява с максимална амплитуда, а поради пиезоелектричния ефект, колкото по -близо е честотата на приложеното напрежение до резонанса, толкова по -ниско ще бъде съпротивлението на резонатора. Това е сходството на кварцов резонатор с високочестотна осцилаторна верига. Резултатът е по същество аналог на последователна LC верига.

Характеристики на кварцов резонатор

Кварцов резонатор може да бъде представен под формата на еквивалентна схема, в която C0 е монтажният електрически капацитет, образуван от металните кабелни държачи и електроди. C1, L и R са капацитетът, индуктивността и активното съпротивление на плочата директно с електроди, като аналог на реална колебателна верига, получена поради електромеханичните свойства на плочата.

Ако изключим монтажния капацитет C0 от веригата, тогава изрично ще получим серийна колебателна верига. Що се отнася до обозначението на резонатора в диаграмата, той изглежда като кондензатор с правоъгълник, символизиращ кварцов кристал между плочите.

В процеса на монтаж и демонтаж на кварцови резонатори върху дъски чрез запояване трябва да се помни, че прегряването на кварца над 573 ° C е изпълнено със загуба на пиезоелектричните свойства на кристала.