1. переваги [ правити | правити код ]
2. недоліки [ правити | правити код ]

open wikipedia design.

по ГОСТ 2.736-68 [1]

Кварцовий резонатор ( жарг. «Кварц») - електронний прилад, в якому п'єзоелектричний ефект і явище механічного резонансу використовуються для побудови високодобротного резонансного елемента електронної схеми.

Слід відрізняти кварцовий резонатор від пристроїв, що використовують інші п'єзоелектричні матеріали - наприклад, спеціальну кераміку (див. керамічний резонатор [En] ).

На пластинку, тонкий циліндр, кільце або брусок, вирізані з кристала кварцу з певною орієнтацією відносно кристалографічних осей монокристала нанесені 2 або більше електродів - провідні металеві смужки, виконані напиленням у вакуумі або вжіганіем плівки металу на задані поверхні кристала.

Резонатор механічно кріпиться в вузлах робочої моди коливань , Щоб знизити втрати коливальної енергії через кріплення кристала. Для інших мод коливань вузли власних коливань розташовані в інших місцях кристала і тому інші моди коливань пригнічені. Для робочої моди коливань кристал має деяку власну резонансну частоту механічних коливань, причому на цій частоті добротність механічного резонатора дуже висока.

При подачі напруги на електроди завдяки зворотному п'єзоелектричного ефекту відбувається вигин, стиск або зрушення в залежності від того, яким чином вирізаний кристал щодо кристалографічних осей, конфігурації збуджуючих електродів і розташування точок кріплення.

Власні коливання кристала в результаті п'єзоелектричного ефекту наводять на електродах додаткову ЕРС і тому кварцовий резонатор електрично поводиться подібно резонансної ланцюга, - коливального контуру , Складеним з конденсаторів , індуктивності і резистора , Причому добротність цієї еквівалентної електричного кола дуже велика і близька до добротності власних механічних коливань кристала.

Якщо частота напруги, що подається дорівнює або близька до частоті власних механічних коливань пластинки, витрати енергії на підтримку коливань пластинки виявляються набагато нижче, ніж при великому відміну частоти. Це теж відповідає поведінці електричного коливального контуру.

По поведінці в електричних ланцюгах кварцовий резонатор можна в першому наближенні представити у вигляді еквівалентної електричної схеми, зображеної на малюнку де:

C 0 {\ displaystyle C_ {0}} - власна ємність кристала, що утворюється електродами на кристалі - обкладинками конденсатора, де діелектриком є ​​сам кристал і паралельно з'єднаної з цієї ємністю паразитного ємністю крісталлодержателя і електричних висновків; C 1 {\ displaystyle C_ {1}} , L 1 {\ displaystyle L_ {1}} - еквівалентні ємність і індуктивність механічної коливальної системи резонатора; R 1 {\ displaystyle R_ {1}} - еквівалентний опір втрат механічної коливальної системи.

математично електричний імпеданс у вигляді перетворення Лапласа можна за правилами паралельного і послідовного з'єднання двухполюсников записати:

Z (s) = (1 s ⋅ C 1 + s ⋅ L 1 + R 1) ‖ (1 s ⋅ C 0), {\ displaystyle Z (s) = \ left ({{\ frac {1} {s \ cdot C_ {1}}} + s \ cdot L_ {1} + R_ {1}} \ right) \ left \ | \ left ({\ frac {1} {s \ cdot C_ {0}}} \ right) \ right.,} де s = j ω {\ displaystyle s = j \ omega} - комплексна частота перетворення Лапласа, двома вертикальними рисами позначено паралельне з'єднання конденсатора C 0 {\ displaystyle C_ {0}} і ланцюга, що складається з послідовно з'єднаних C 1 {\ displaystyle C_ {1}} , L 1 {\ displaystyle L_ {1}} , R 1 {\ displaystyle R_ {1}} ,

або:

Z (s) = s 2 + s R 1 L 1 + ω s 2 s ⋅ C 0 ⋅ (s 2 + s R 1 L 1 + ω p 2). {\ Displaystyle Z (s) = {\ frac {s ^ {2} + s {\ frac {R_ {1}} {L_ {1}}} + {\ omega _ {\ mathrm {s}}} ^ { 2}} {s \ cdot C_ {0} \ cdot (s ^ {2} + s {\ frac {R_ {1}} {L_ {1}}} + {\ omega _ {\ mathrm {p}}} ^ {2})}}.}

У такій еквівалентній схемою спостерігається два види резонансу - послідовний, який настає при рівності реактивних опорів X C 1 {\ displaystyle X_ {C_ {1}}} і X L 1 {\ displaystyle X_ {L_ {1}}} , При цьому резонансі повний електричний опір (модуль імпедансу) мало і практично дорівнює R 1 {\ displaystyle R_ {1}} і паралельний резонанс, при якому рівні повні опору X L 1 {\ displaystyle X_ {L_ {1}}} і повний опір ланцюга, що складається їх послідовно з'єднаних пари конденсаторів X C 1, C 2 {\ displaystyle X_ {C_ {1}, C_ {2}}} , При цьому повне опір ланцюга велике, так як струм при резонансі протікає у внутрішньому контурі, що складається з усіх двухполюсников еквівалентної схеми.

Резонансна частота послідовного резонансу ω s {\ displaystyle \ omega _ {\ mathrm {s}}} :

ω s = 1 L 1 ⋅ C 1. {\ Displaystyle \ omega _ {\ mathrm {s}} = {\ frac {1} {\ sqrt {L_ {1} \ cdot C_ {1}}}}.}

Резонансна частота паралельного резонансу ω p {\ displaystyle \ omega _ {\ mathrm {p}}} :

ω p = C 1 + C 0 L 1 ⋅ C 1 ⋅ C 0 = ω s 1 + C 1 C 0. {\ Displaystyle \ omega _ {\ mathrm {p}} = {\ sqrt {\ frac {C_ {1} + C_ {0}} {L_ {1} \ cdot C_ {1} \ cdot C_ {0}}} } = \ omega _ {s} {\ sqrt {1 + {\ frac {C_ {1}} {C_ {0}}}}}.}

Виміром імпедансу кварцового резонатора на чотирьох різних частотах після рішення системи 4 рівнянь можна визначити параметри всіх двухполюсников, що входять в еквівалентну схему. Практично, типова ємність конденсатора C 1 {\ displaystyle C_ {1}} становить десяті і навіть соті частки пФ, індуктивність L 1 {\ displaystyle L_ {1}} одиниці-десятки Гн , Опір R 1 {\ displaystyle R_ {1}} - десятки-сотні Ом , Паразитна ємність C 0 {\ displaystyle C_ {0}} - десятки пФ .

Так як хвильовий опір R w = L 1 C 1 {\ displaystyle R_ {w} = {\ sqrt {\ frac {L_ {1}} {C_ {1}}}}} при послідовному і паралельному резонансах дуже велике щодо послідовного опору R 1 {\ displaystyle R_ {1}} , Це забезпечує дуже високу добротність резонансної ланцюга, що досягає декількох мільйонів.

Так як практично C 0 »C 1 {\ displaystyle C_ {0} \ gg C_ {1}} формулу для частоти паралельного резонансу можна спростити:

ω p = C 1 + C 0 L 1 ⋅ C 1 ⋅ C 0 = ω s 1 + C 1 C 0 ≈ ω s (1 + C 1 2 C 0). {\ Displaystyle \ omega _ {\ mathrm {p}} = {\ sqrt {\ frac {C_ {1} + C_ {0}} {L_ {1} \ cdot C_ {1} \ cdot C_ {0}}} } = \ omega _ {s} {\ sqrt {1 + {\ frac {C_ {1}} {C_ {0}}}}} \ approx \ omega _ {s} \ left (1 + {\ frac {C_ {1}} {2C_ {0}}} \ right).}

Знову ж таки, так як C 0 »C 1 {\ displaystyle C_ {0} \ gg C_ {1}} з формул випливає, що частоти послідовного і паралельного резонансів дуже близькі, наприклад, для типових C 1 = 0, 1 {\ displaystyle C_ {1} = 0,1} пФ і C 0 = 10 {\ displaystyle C_ {0} = 10} пФ для кварцового резонатора в кілька МГц частоти резонансів розрізняються на 0,5%.

Резонансну частоту послідовного резонансу ω s {\ displaystyle \ omega _ {\ mathrm {s}}} неможливо змінити підключенням до кварцового резонатора зовнішньої ланцюга, так як індуктивність і ємність C 1 {\ displaystyle C_ {1}} , L 1 {\ displaystyle L_ {1}} еквівалентної схеми визначаються власним механічним резонансом кристала.

Резонансну частоту паралельного резонансу можна знижувати в невеликих межах, практично на частки відсотка, так як C 0 »C 1 {\ displaystyle C_ {0} \ gg C_ {1}} і ємність C 0 {\ displaystyle C_ {0}} входить в формулу для частоти підключенням до кварцового резонатора зовнішнього конденсатора. Також можливо в малих межах збільшити резонансну частоту підключенням зовнішньої котушки індуктивності , Цей спосіб застосовується рідко.

Виробники кварцових резонаторів при їх виготовленні механічно юстіруют резонансну частоту при деякому підключеному зовнішньому конденсаторі. Ємність конденсатора, що забезпечує заявлену виробником частоту паралельного резонансу зазвичай вказують в специфікації на конкретний резонатор, без підключення цього зовнішнього конденсатора резонансна частота буде трохи вище.

п'єзоелектричний ефект був вперше відкритий братами Жаком і П'єром Кюрі в 1880 році. Поль Ланжевен вперше практично використовував цей ефект в ультразвуковому випромінювачі і приймачі ультразвуку в гідролокатора перед першою світовою війною .

Перший електромеханічний резонатор, на основі сегнетової солі , Був виготовлений в 1917 році і запатентований в 1918 році Олександром М. Ніколсоном (Alexander M. Nicholson) з компанії Bell Telephone Laboratories , Хоча його пріоритет заперечувався Уолтером Гайтон Кеді (Walter Guyton Cady), який виготовив кварцовий резонатор в 1921 році.

Деякі поліпшення в конструкцію кварцових резонаторів запропоновані пізніше Льюїсом Ессеном і Джорджем Вашингтоном Пірсом (George Washington Pierce).

Перші стабільні по частоті кварцові резонатори були розроблені в 1920-1930-х роках. Починаючи з 1926 року, кварцові резонатори на радіостанціях стали використовуватися в якості елементів, які задають несучу частоту . В цей же час різко зросла кількість компаній, які почали випускати кварцові резонатори, наприклад, тільки до 1939 року в США було випущено більш ніж 100 тис. Штук.

Одним з найпопулярніших видів резонаторів є резонатори, що застосовуються в часових схемах і таймерах . Резонансна частота часових резонаторів становить 32 768 Гц; будучи поділеної на 15-розрядному довічним лічильнику , Вона дає інтервал часу в 1 секунду.

Застосовуються в генераторах з фіксованою частотою, де необхідна висока стабільність частоти. Зокрема, в опорних генераторах синтезаторів частот і в трансиверного радіостанціях для формування DSB-сигналу на проміжній частоті і детектування SSB або телеграфного сигналу.

Також застосовуються в кварцових смугових фільтрах проміжної частоти супергетеродинних приймачів. Такі фільтри можуть виконуватися по сходовій або диференціальної схемою і відрізняються дуже високою добротністю і стабільністю в порівнянні з LC-фільтрами.

За типом корпусу кварцові резонатори можуть бути вивідні для об'ємного монтажу (стандартні і циліндричні) і для поверхневого монтажу (SMD).

Якість схеми, в яку входять кварцові резонатори, визначають такі параметри, як допуск по частоті (відхилення частоти), стабільність частоти, навантажувальна ємність, старіння .

переваги [ правити | правити код ]

• Досягнення набагато більших значень добротності (104 - 106) еквівалентного коливального контуру, ніж будь-яким іншим способом.
• Малі розміри пристрою (аж до доль міліметра).
• Висока температурна стабільність.
• Велика довговічність.
• Краща технологічність.
• Побудова якісних каскадних фільтрів без необхідності їх ручної настройки.

недоліки [ правити | правити код ]

• Надзвичайно вузький діапазон підстроювання частоти зовнішніми елементами. На практиці для багатодіапазонних систем ця проблема вирішується побудовою синтезаторів частот різного ступеня складності.

• Смагін А. Г., Ярославський М. І. П'єзоелектрика кварцу і кварцові резонатори. - М.: «Енергія», 1970. - 488 с. - 6000 екз.

• Альтшуллер Г. Б. Кварцова стабілізація частоти. - М.: «Зв'язок», 1974. - 272 с. - 5600 екз.

• Андросова В. Г., Банкова В. Н., Дікіджі А. Н. та ін. Довідник по кварцовим резонаторам / Под ред. П. Г. Позднякова. - Зв'язок, 1978. - 288 с. - 15 000 прим.

• Глюкман Л. І. П'єзоелектричні кварцові резонатори. - 3-е изд., Перераб. і доп. - М.: Радио и связь, 1981. - 232 с. - 10 000 прим.

• Зеленка І. П'єзоелектричні резонатори на об'ємних і поверхневих акустичних хвилях: Матеріали, технологія, конструкція, застосування: Пер. з чеськ. - М.: Мир, 1990. - 584 с. - 4050 екз. - ISBN 5-03-001086-6 .

• Ладик А. І., Сташкевич А. І. Вироби електронної техніки. П'єзоелектричні та електромеханічні прилади: Довідник. - М.: Радио и связь, 1993. - 104 с. - 3000 екз. - ISBN 5-256-01145-6 , ISBN 5-256-00588-X .