Характеристика и принцип работы кварцевого генератора

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Кварцевые генераторы широко применяются в современной радиоэлектронике. Они используются в технике радиосвязи, радиолокации, измерительной и вычислительной технике, телеметрии, в бытовых приборах таких, как наручные электронные часы, магнитофоны, телевизоры и др.

Использование кварцевых генераторов позволяет создать надежную радиоаппаратуру высокой точности, простую в эксплуатации, малых габаритов, с малой потребительской мощностью.

Следует отметить очень большой диапазон частот, на которых используются кварцевые генераторы: от нескольких килогерц до сотен мегагерц. Наряду с традиционным применением кварцевых генераторов для стабилизации частоты возбудителей, гетеродинов и синтезаторов частоты, в последнее время их начали использовать для измерения (с весьма высокой точностью) давления, деформации, ускорения, температуры, влажности и большого числа других параметров.

1. Пьезоэлектрический эффект кварца

Кристаллический кварц SIO2 (кремнезем, безводная двуокись кремния) - самое распространенное на земле соединение Прозрачные кристаллы кварца - ценное техническое сырье. Кварц относится к числу наиболее твердых минералов, (твердость 7 по десятибалльной шкале, - плотность 2,65 г/см3). Различают четыре температурные модификации кварца, из которых основное применение в технике имеет низкотемпературная модификация -- a(альфа)-кварц.

При температуре около 573°С в результате фазового превращения происходит перестройка тригональной кристаллической структуры кварца (группа симметрии 3:2) в гексагональную (группа симметрии 6:2) -- превращение а-кварца в В-кварц, который обладает совершенно иными пьезоэлектрическими постоянными и другими физическими свойствами. Эта модификация устойчива при температурах 573. . .870°С, а при 870. . .1470°С устойчива третья модификация SIO2 -- тримидит.

Четвертая (кубическая) модификация -- кристобаллит -- устойчива при 1470... 1710°С. При температуре выше 1710°С кварц переходит в жидкое состояние (плавится).

Чаще всего встречается а-кварцследующих цветов: бесцветный -- горный хрусталь, дымчатый -- раухтопаз, черный -- морион, золотисто-желтый--цитрин, сиреневый--аметист. Нагревание кристаллов кварца до температуры +350С приводит к их обесцвечиванию.

В настоящее время производятся синтетические кристаллы кварца, практически не уступающие по своему качеству природным. Одно из ведущих мест в этом производстве занимает наша страна.

Пьезоэлектрический эффект кварца был замечен в 1880 г. французскими учеными -- братьями Кюри. Работая над изучением пироэлектрических явлений, они обнаружили возникновение электрических зарядов на гранях кристалла кварца при механическом воздействии на него. Так был открыт прямой пьезоэффект кварца. Год спустя они экспериментально подтвердили существование и обратного пьезоэффекта (слово «пьезо» древнегреческого происхождения, что означает «давлю»). Пьезоэлектрический эффект есть совокупность явлений в определенных классах кристаллических диэлектриков, линейно (пропорционально) связывающих механические напряжения (деформации) с электрическим полем.

Явление возникновения на противоположных поверхностях (гранях) кристалла электрических зарядов (поляризация кристалла) при его механической деформации (например, сжатии или растяжении) называют прямым пьезоэффектом. Величина этих зарядов изменяется пропорционально механическому воздействию (механическому напряжению). При изменении направления действия механической деформации (например, при замене сжатия растяжением) знаки электрических зарядов меняются на противоположные.

Обратным пьезоэффектом называют механическую деформацию кристалла кварца или кварцевой пластины под воздействием приложенного к нему электрического поля. Механическая деформация кристалла пропорциональна напряженности электрического поля. Пластина кварца будет испытывать знакопеременные деформации (сжиматься и растягиваться), если к ней прикладывать переменное электрическое напряжение.

Кристаллы кварца имеют геометрически правильное расположение составляющих их структурных элементов, чередование которых в пространстве образует кристаллическую решетку. В узлах решетки располагаются ионы, т.е. атомы с недостатком или избытком валентных электронов, которые в соединении образуют нейтральные атомы или молекулы.

Возникновение пьезоэффекта в кристаллах кварца объясняется деформацией его кристаллической решетки под действием внешних сил, в результате чего нарушается электрическое равновесие кристалла, обусловленное изменением дипольных моментов, т.е. расстояния между центрами тяжести разноименных электрических зарядов. Это возможно только при наличии полярных направлений, которые имеются у кристаллов определенных классов, не обладающих центром симметрии. Пьезоэффект может возникать в 20 из 32 классов (кристаллографических групп симметрии) кристаллов.

К настоящему времени обнаружено около 1000 веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Более или менее исследованы пьезосвойства лишь нескольких десятков монокристаллов и поликристаллических веществ: турмалина, сегнетовой соли, виннокислого калия, титаната бария, цирконаттитаната свинца и др.

Однако до сих пор они не стали достаточно сильным конкурентом кварца, так как в кварце сочетаются многочисленные достоинства: большая механическая и термическая прочность, малое внутреннее трение, почти идеальная упругость, высокая стабильность электрофизических параметров.

При воздействии на специально обработанный? кристалл кварца определенной формы и геометрических размеров (стержень, пластину, линзу и т.п.) переменного электрического поля с частотой равной или близкой к частоте собственных механических колебаний кристалла, в последнем возникают резонансные механические колебания. Эти колебания благодаря прямому пьезоэффекту обусловливают весьма интенсивные электрические колебания, оказывающие сильное воздействие на возбудившую их электрическую цепь, так что частота электрических колебаний в этой? цепи будет «захватываться» (стабилизироваться) частотой? собственных механических колебаний кристалла, которая, в свою очередь, определяется его физическими свойствами и геометрическими размерами.

Такую электромеханическую резонансную колебательную систему, изготовленную из кварца в определенном конструктивном исполнении, в технической литературе именуют кварцевым резонатором.

Кварцевые резонаторы изготавливают на довольно широкий диапазон частот - от единиц килогерц до сотен мегагерц, для чего пользуется большое многообразие форм и геометрических размеров кристаллов (пьезоэлементов) кварца, вырезанных из кристаллического моноблока под различными углами относительно его кристаллофизических осей. Такая ориентация кристаллического элемента называется срезом. Существует понятие первоначальной ориентации, когда все грани пьезоэлемента параллельны кристаллографическим осям. Условное обозначение первоначальной ориентации пьезоэлемента состоит из двух букв: первая (x,y или z) указывает, какой из осей параллельна толщина пьезоэлемента, вторая -- какой из осей параллельна его длина.

Обозначение ориентации пьезоэлемента с гранями, образующими углы с кристаллофизическими осями, составляется из обозначения первоначальной ориентации, к которой добавляется еще одна, две или три буквы (l, b, s), указывающие, какие направления (вдоль длины, толщины или ширины) ребер пьезоэлемента использованы в качестве осей первого и последующих поворотов из положения первоначальной ориентации. Углы первого, второго и третьего поворотов пьезоэлемента вокруг этих осей обозначаются соответственно буквами a, b и у, проставляемыми через косые линии. Числа, проставляемые вместо этих букв, показывают величину углов поворота. Важнейшие типы срезов кварца и их названия - AT, BT, GT, CT.

В электрической цепи кварцевый резонатор ведет себя как колебательный контур третьего вида, который по сравнению с обычными колебательными контурами, состоящими из катушек индуктивности и конденсаторов, имеет следующие основные особенности. Очень высокую добротность (от десятков тысяч до десятков миллионов), благодаря которой фазочастотная и амялитудно-частотная характеристики имеют очень большую крутизну в области резонанса; высокую стабильность собственных параметров. Стабильность частоты кварцевых резонаторов на несколько порядков выше, чем у обычных колебательных контуров; очень большую индуктивность, достигающую тысяч генри, и очень малую емкость (не более нескольких сотых долей пикофарад). Вследствие чего при соединении кварцевых резонаторов с внешними реактивными элементами результирующая резонансная частота образованной колебательной системы мало отличается от частоты собственных колебаний кварцевого резонатора. Эквивалентные параметры существенно зависят от частоты резонаторов.

2. Принцип работы кварцевого резонатора

На рис. 1 приведена эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора:

Рис. 1. Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Поясним физический смысл электрических параметров эквивалентной схемы кварцевого резонатора:

- Lq - эквивалентная динамическая индуктивность - эквивалент колеблющейся массы под электродами резонатора, величина которой определяет величину добротности Q;

- Cq - эквивалентная динамическая емкость - эквивалент механической жесткости кварцевой пластины;

- Rq - эквивалентное динамическое сопротивление - величина, характеризующая активные потери в кристаллической решетке, демпфирование колебаний молекулами окружающего газа и электрические потери в подводящих электродах;

- C0 - статическая емкость кварцедержателя.

Для диапазона частот от 5 до 30 МГц типовые значения элементов эквивалентной схемы следующие: Cq=0.008...0.02 пФ; Lq=5...30 мГн; Rq=5...50 Ом; C0 =1,5...6 пФ.

При проектировании генераторов, работающих на частотах выше 30 МГц применяют кварцевые резонаторы, работающие на нечетных механических гармониках (3-я, 5-я, 7-я и т.д.). При этом значения Cq уменьшаются пропорционально квадрату номера гармоники, т.е. на 3-ей механической гармонике резонатор будет иметь Cq порядка 0,001 пФ. При этом эквивалентное сопротивление возрастает приблизительно прямо пропорционально номеру гармоники, т.е. 3 Rq.

Как видно из рис. 1, эквивалентная схема представляет собой сложный колебательный контур, имеющий последовательный и параллельный резонанс, причем частота последовательного резонанса определяется параметрами Lq и Cq, а параллельного - Lq и последовательно соединенных Cq и C0. Наличие резонансов иллюстрирует рис. 2, на котором приведены амплитудно-частотная (АЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики полного сопротивления Zq кварцевого резонатора частотой 10 МГц по 1-ой механической гармонике.

Рис. 2. Характеристики полного сопротивления резонатора

Из рисунка видно, что частотная характеристика имеет два экстремума, соответствующих последовательному (минимум) и параллельному (максимум) резонансу. Разность частот между ними называется резонансным промежутком, который можно определить как:

Особый интерес представляет область АЧХ между последовательным и параллельным резонансом, характеризующаяся увеличением полного сопротивления с ростом частоты, что соответствует индуктивному характеру сопротивления резонатора, величина которого зависит от отстройки от частоты последовательного резонанса.

Высокая добротность резонаторов, достигающая величины десятков, сотен тысяч и даже миллионов на частотах 1 и 5 МГц, а так же низкий температурный коэффициент позволили создавать термокомпенсированные и термостатированные генераторы, работающие в широком интервале температур.

Основным параметром кварцевого резонатора является частота. Применительно к кварцевым резонаторам используется несколько различных понятий о частоте:

Номинальная частота -- это частота, указываемая в технической документации на резонатор. К номинальной частоте неприменимо понятие о нестабильности, она имеет постоянное значение, служащее обычно началом отсчета для отклонения реальной частоты резонатора.

Частота настройки резонатора -- это значение рабочей частоты в условиях, оговоренных технической документацией, при которых (должна быть) произведена настройка резонатора по частоте. Следует подчеркнуть, что рабочая частота характеризует резонатор не как самостоятельный элемент, а в совокупности с устройством, для которого он предназначен.

Нестабильность частоты. Под воздействием различных факторов: климатических, механических, радиационных, временя и др. -- частота резонатора изменяется. Количественными характеристиками таких изменений могут служить коэффициенты частоты (температурный, силовой и т.д.), выражающие нестабильность частоты в пересчете на единицу воздействующего фактора. В некоторых случаях зависимость частоты от внешних факторов нелинейна и соответствующие коэффициенты непостоянны. Тогда нестабильность частоты определяют при наибольших возможных значении воздействующих факторов, предусмотренных условиями эксплуатации. Из группы параметров, характеризующих нестабильность частоты, на практике наиболее часто используются:

- температурный коэффициент частоты (ТКЧ); нестабильность частоты при изменении температуры в пределах заданного интервала; нестабильность частоты при воздействии циклического вменения температуры от одного до другого из двух предельно допустимых значений при эксплуатации;

- временная нестабильность частоты (старение) -- изменение частоты за определенный отрезок времени (сутки, месяц, год, несколько лет);

- нестабильность частоты от механических воздействий- количественной мерой этой нестабильности обычно служит изменение частоты от. первоначального значения в результате воздействия вибраций многократных или одиночных ударов с максимально допустимыми по условиям эксплуатации ускорениями. Различают механическую устойчивость резонатора, характеризуемую изменениями частоты в процессе воздействия, и прочность, определяемую необратимыми изменениями частоты, остающимися после прекращения воздействия.

По видам колебаний различают резонаторы, изгибных, крутильных, продольных и сдвиговых колебаний. Кроме того, указывают разновидности этих колебаний, определяемые частотными размерами ПЭ. Для изгибных колебаний это колебания по ширине или по толщине, для крутильных -- колебания по длине, для продольных -- колебания по длине, по ширине или по толщине, для сдвиговых -- колебания по ширине (контурные) или по толщине. е (контурные) или по толщине. Для всех указанных видов колебаний известны срезы с малым ТКЧ или другими оптимальными характеристиками. Каждый вид колебаний и среза перекрывает определенный диапазон частот. Некоторые срезы используют для возбуждения разных видов колебаний, поэтому указания геометрических характеристик среза оказывается недостаточно и требуется уточнение разновидности возбуждения разных видов колебаний. Это обстоятельство облегчает описание характеристик резонаторов того или иного среза и вида колебаний, поэтому во всех каталогах и руководствах по резонаторам принята классификация по видам срезов и колебаний ПЭ.

К настоящему времени определились основные признаки классификации резонаторов. Они зафиксированы международными и общесоюзными нормализационными документами.

В основу классификации резонаторов положены следующие основные признаки: назначение, диапазоны частот, стабильность частоты, жесткость условий эксплуатации, виды колебаний и срезов пьезоэлементов, конструктивные данные.

По назначению принято различать: резонаторы для генераторов (генераторные) и резонаторы для фильтров (фильтровые). В конструктивном отношении между ними обычно нет различий. Они различаются требованиями к электрическим параметрам.

Генераторные резонаторы, в свою очередь, подразделяются на: резонаторы для генераторов фиксированных частот, резонаторы для управляемых по частоте генераторов, резонаторы для термокомпенсированных генераторов, резонаторы для генераторов ударного возбуждения.

Для этих резонаторов обычно задают требования на такие параметры, как рабочая частота, ее нестабильность от внешних воздействий, добротность или сопротивление. Значения реактивных эквивалентных электрических параметров во многих случаях не нормируют. Иногда вместо требований к сопротивлению задают требования к активности. Для резонаторов, используемых в управляемых и термокомпенсированных кварцевых генераторах, нормируют значения индуктивности или емкости. Вместо этих параметров предпочитают задавать требование на расстройку частоты резонатора при включении параллельно или последовательно с ним определенного реактивного элемента конденсатора или катушки индуктивности. Ослабление побочных резонансов обычно для резонаторов, используемых в кварцевых генераторах фиксированных частот, не менее чем 3,5 дБ. Для управляемых кварцевого генератора требуется значительно большее ослабление побочных резонансов порядка 20--40 дБ в полосе частот, вдвое большей полосы частот управления. В полосе частот управления побочные резонансы должны отсутствовать. Для резонаторов предназначенных для термокомпенсированных КГ, задают требования к ТЧХ. При этом не допускаются нерегулярные изменения частоты в интервале температур. Для резонаторов: применяемых в КГ ударного возбуждения, особым требованием является необходимость ослабления побочных резонансов в очень широкой области частот, в частности необходимость сильного ослабления частот обертонов рабочего колебания.

Кварцевые генераторы можно классифицировать по различным признакам.

По способам повышения стабильности частоты: простой без дополнительных элементов, предназначенных для улучшения каких-либо его параметров; термокомпенсированный кварцевый генератор, (ТККГ) отклонение частоты которого в интервале температур уменьшается с помощью специальной электрической цепи; термостатированный кварцевый генератор (ТСКГ), элементы электрической цепи которого полностью или частично помещены в термостат для уменьшения влияния окружающей температуры.

По функциональной особенности: с частотной модуляцией; чаcтотно-манипулированные (с частотной телеграфией); управляемые изменением индуктивности или емкости; управляемые напряжением; высокостабильные (прецизионные); многочастотные, в которых используется коммутация нескольких резонаторов (или одного) для стабилизации ряда близкорасположенных частот; измерительные, в которых резонатор используется для преобразования изменения какой-либо физической величины в изменение частоты.

По допустимой нестабильности частоты КГ можно разделить на семь групп: менее 0,001*10-6; (0,001 -- 0,01)10-6; (0,01 -- 0,1)10-6; (0,1 -- 1)10-6; (1 -- 10)10-6; (10 -- 100)10-6; более 100*10-6.

Внутри каждой группы стабильности могут быть различными. Целесообразно для унификации требований выбирать нестабильности по следующему ряду в одной группе: ±1; ±1,5; ±2; ±2,5; ±3; ±5; ±7,5 и ± 10.

Обычно в кварцевых генераторах за классификационную стабильность принимают температурную стабильность частоты в рабочем интервале температур.

По диапазону частот: низкочастотные (1--1000 кГц); среднечастотные (1--30 МГц); высокочастотные (выше 30 МГц).

По элементной базе и способу конструирования: на дискретных элементах; гибридные с резонатором; гибридные с пьезоэлементом; интегральные с пьезоэлементом;интегральные на пьезоэлементе.

Схемы КГ могут быть подразделены по следующим признакам:

По частотам возбуждения резонаторов: схемы последовательного резонанса (резонатор работает вблизи частоты последовательного резонанса), схемы параллельного резонанса (резонатор работает на частоте, близкой к частоте параллельного резонанса).

По характеру возбуждения резонатора: на основной частоте на колебаниях высших порядков. Колебания высших порядков широко используются в высокостабильных (прецизионных) кварцевых генераторах и в случаях, когда необходимо получить высокие частоты без применения умножителей частоты.

По месту включения резонатора различаются трехточечные схемы с резонаторами соответственно между базой и коллектором транзистора; между базой и эмиттером транзистора; между эмиттером и коллектором транзистора. Схема с кварцевым резонатором, включенным между базой и коллектором транзистора, называется емкостной трехтонкой. Эквивалентная схема КГ, собранного по такой схеме, приведена на рис. 3.

Рис. 3. Обобщенная эквивалентная трехточечная схема КГ

пьезоэффект кварцевый резонатор индуктивный

Если резонатор включен между базой и эмиттером или эмиттером и коллектором, схемы называются индуктивной трехточкой. Если последовательно с резонатором не включено реактивное сопротивление или это сопротивление имеет емкостный характер, то резонатор возбуждается на частоте, расположенной между частотами последовательного и параллельного резонансов.

При индуктивном характере реактивного сопротивления, включенного последовательно с резонатором, последний может возбуждаться на частоте ниже или выше частоты последовательного резонанса; при определенном значении этого реактивного сопротивления резонатор возбуждается на частоте, совпадающей с частотой последовательного резонанса. Наиболее широко из таких схем используется емкостная трехточка. Она позволяет получить максимальную стабильность частоты КГ, более проста в регулировке, надежна по сравнению с индуктивными трехтонками. Схемы с включением кварцевого резонатора в цепи обратной связи показаны на рис. 4:

Рис. 4. Обобщенная эквивалентная трехточечная схема кварцевого генератора: а) в цепи эмиттера, б) в цепи базы, в) в цепи коллектор

Резонатор в таких генераторах возбуждается на частоте, близкой к частоте последовательного резонанса. Схемы с кварцевым резонатором в цепи обратной связи менее критичны к значению динамического сопротивления резонатора: в них можно применять резонаторы с большим сопротивление коллектора по сравнению с трехконечной схемой.При той же мощности, рассеиваемой на кварцевом резонаторе, эти схемы позволяют получить больший уровень напряжения на нагрузке КГ. Однако стабильность частоты КГ, выполненного по схеме с кварцевым резонатором в цепи обратной связи, ниже стабильности при использовании трехточечных схем. Поэтому эти схемы с кварцевым резонатором используются значительно реже по сравнению с трехточечными схемами (рис. 5).

Рис. 5. Эквивалентные трехточечные схемы КГ: а) в цепи базы; б) в цепи эмиттера; в) в цепи коллектора

Размещено на Allbest.ru