Rezonator cu cuarț

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 3 iulie 2020; verificările necesită 6 modificări .

Un rezonator de cuarț ( argo pentru „cuarț” ) este un dispozitiv electronic în care efectul piezoelectric și fenomenul de rezonanță mecanică sunt utilizate pentru a construi un element rezonant de înaltă calitate al unui circuit electronic.

Un rezonator cu cuarț ar trebui să fie distins de dispozitivele care folosesc alte materiale piezoelectrice , cum ar fi ceramica specială (vezi rezonator ceramic ).

Cum funcționează

Pe o placă, cilindru subțire, inel sau bară, decupat dintr-un cristal de cuarț cu o anumită orientare față de axele cristalografice ale unui singur cristal, se aplică 2 sau mai mulți electrozi - benzi metalice conductoare realizate prin depunerea în vid sau prin arderea unui metal filmați pe suprafețele de cristal specificate.

Rezonatorul este atașat mecanic la nodurile modului de vibrație de funcționare pentru a reduce pierderea de energie vibrațională prin atașarea cristalului. Pentru alte moduri de oscilație, nodurile oscilațiilor naturale sunt situate în alte locuri ale cristalului și, prin urmare, alte moduri de oscilație sunt suprimate. Pentru modul de vibrație de lucru, cristalul are o anumită frecvență de rezonanță naturală a vibrațiilor mecanice, iar la această frecvență factorul de calitate al rezonatorului mecanic este foarte mare.

Când se aplică o tensiune electrozilor, din cauza efectului piezoelectric invers, are loc îndoire, compresie sau deplasare, în funcție de modul în care este tăiat cristalul în raport cu axele cristalografice, configurația electrozilor de excitație și locația atașării. puncte.

Ca urmare a efectului piezoelectric, vibrațiile naturale ale cristalului induc un EMF suplimentar pe electrozi și, prin urmare, rezonatorul de cuarț se comportă electric ca un circuit rezonant - un circuit oscilator compus din condensatori , inductanță și rezistor și factorul de calitate al acestui echivalent. circuitul electric este foarte mare și aproape de factorul de calitate al propriei oscilații mecanice de cristal.

Dacă frecvența tensiunii aplicate este egală sau apropiată de frecvența vibrațiilor mecanice naturale ale plăcii, costurile energetice pentru menținerea oscilațiilor plăcii sunt mult mai mici decât la o diferență mare de frecvență. Aceasta corespunde și comportamentului circuitului electric oscilant.

Circuit electric echivalent

Conform comportamentului în circuitele electrice, un rezonator cu cuarț poate fi reprezentat ca o primă aproximare sub forma unui circuit electric echivalent prezentat în figură în care:

C_{0}

- capacitatea intrinsecă a cristalului, formată din electrozii de pe cristal - plăcile condensatoarelor, unde cristalul însuși este dielectricul și capacitatea parazită a suportului cristalului și cablurile electrice conectate în paralel cu această capacitate;

C_{1}

, sunt capacitatea și inductanța echivalente a sistemului oscilator mecanic al rezonatorului;

L_{1}

R_{1}

este rezistența echivalentă la pierderi a sistemului oscilator mecanic.

Matematic , impedanța electrică sub forma transformării Laplace poate fi scrisă conform regulilor de conectare în paralel și în serie a rețelelor cu două terminale :

Z(s)=\left({{\frac {1}{s\cdot C_{1}}}+s\cdot L_{1}+R_{1}}\dreapta)\stanga\|\ stânga({\frac {1}{s\cdot C_{0))}\dreapta)\dreapta.,

unde este frecvența complexă a transformării Laplace, două linii verticale indică conexiunea în paralel a unui condensator și a unui circuit constând din conectate în serie , , ,

s=j\omega

C_{0}

C_{1}

L_{1}

R_{1}

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})}}.

Într-un astfel de circuit echivalent, se observă două tipuri de rezonanță - serie, care apare atunci când reactanțele sunt egale și , la această rezonanță, rezistența electrică totală (modul de impedanță) este mică și practic egală , și rezonanța paralelă, la care totalul rezistențele și impedanța circuitului format din ele în serie sunt perechi egale de condensatoare conectate , în timp ce impedanța circuitului este mare, deoarece curentul la rezonanță circulă în circuitul intern, constând din toate circuitele echivalente cu două terminale. $X_{C_{1)}$ $X_{L_{1)}$ $R_{1}$ $X_{L_{1)}$ $X_{C_{1},C_{2))$

Frecvența de rezonanță a rezonanței seriei : ${\displaystyle \omega _{\mathrm {s} ))$

\omega _{\mathrm {s} }={\frac {1}{\sqrt {L_{1}\cdot C_{1)))).

Frecvența de rezonanță a rezonanței paralele : $\omega _{\mathrm {p} }$

\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}}}}}.

Măsurând impedanța unui rezonator de cuarț la patru frecvențe diferite, după rezolvarea unui sistem de 4 ecuații, este posibil să se determine parametrii tuturor rețelelor cu două terminale incluse în circuitul echivalent. În practică, o capacitate tipică a unui condensator este zecimi și chiar sutimi de pF, inductanța este de la unu la zeci de Gn , rezistența este de la zeci la sute de ohmi , capacitatea parazită este de zeci de pF . $C_{1}$ $L_{1}$ $R_{1}$ $C_{0}$

Deoarece rezistența undei la rezonanțe în serie și paralelă este foarte mare în raport cu rezistența în serie , aceasta oferă un factor de calitate foarte ridicat al circuitului rezonant, ajungând la câteva milioane. $R_{w}={\sqrt {\frac {L_{1}}{C_{1}}}}$ $R_{1}$

Deoarece, în practică , formula pentru frecvența de rezonanță paralelă poate fi simplificată: $C_{0}\gg C_{1}$

\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}}}}}\aprox \omega _{s}\left(1+{\frac {C_ {1}}{2C_{0}}}}\dreapta).

Din nou, deoarece din formule rezultă că frecvențele rezonanțelor în serie și paralele sunt foarte apropiate, de exemplu, pentru pF și pF tipice pentru un rezonator cu cuarț de câțiva MHz, frecvențele de rezonanță diferă cu 0,5%. $C_{0}\gg C_{1}$ $C_{1}=0,1$ $C_{0}=10$

Frecvența de rezonanță a rezonanței în serie nu poate fi modificată prin conectarea unui circuit extern la rezonatorul de cuarț, deoarece inductanța și capacitatea circuitului echivalent sunt determinate de rezonanța mecanică proprie a cristalului. ${\displaystyle \omega _{\mathrm {s} ))$ $C_{1}$ $L_{1}$

Frecvența de rezonanță a rezonanței paralele poate fi redusă în limite mici, aproape cu fracțiuni de procent, deoarece capacitatea este inclusă și în formula frecvenței prin conectarea unui condensator extern la rezonatorul de cuarț. De asemenea, este posibilă creșterea frecvenței de rezonanță în limite mici prin conectarea unui inductor extern , această metodă este rar folosită. $C_{0}\gg C_{1}$ $C_{0}$

Producătorii de rezonatoare de cuarț în timpul fabricării lor ajustează mecanic frecvența de rezonanță cu un condensator extern conectat. Capacitatea condensatorului care asigură frecvența de rezonanță paralelă declarată de producător este de obicei indicată în specificația pentru un anumit rezonator; fără acest condensator extern conectat, frecvența de rezonanță va fi puțin mai mare.

Istorie

Efectul piezoelectric a fost descoperit pentru prima dată de frații Jacques și Pierre Curie în 1880. Paul Langevin a folosit pentru prima dată acest efect în practică în transmițătorul și receptorul cu ultrasunete de ultrasunete înainte de Primul Război Mondial .

Primul rezonator electromecanic, bazat pe sare Rochelle , a fost fabricat în 1917 și brevetat în 1918 de Alexander M. Nicholson de la Bell Telephone Laboratories , deși prioritatea sa a fost contestată de Walter Guyton Cady , care a făcut rezonator cu cuarț în 1921.

Unele îmbunătățiri în proiectarea rezonatoarelor cu cuarț au fost propuse mai târziu de Lewis Essen și George Washington Pierce .

Primele rezonatoare de cuarț cu frecvență stabilă au fost dezvoltate în anii 1920 și 1930. Începând cu 1926, rezonatoarele cu cuarț din stațiile de radio au început să fie folosite ca elemente care stabilesc frecvența purtătoare . În același timp, numărul companiilor care au început să producă rezonatoare de cuarț a crescut brusc, de exemplu, mai mult de 100 de mii de bucăți au fost produse în SUA numai până în 1939.

Aplicație

Unul dintre cele mai populare tipuri de rezonatoare sunt rezonatoarele utilizate în circuitele de ceas și temporizatoarele . Frecvența de rezonanță a rezonatoarelor de ceas este de 32.768 Hz ; când este împărțit la un numărător binar de 15 biți , acesta oferă un interval de timp de 1 secundă .

Sunt utilizate în generatoarele de frecvență fixă unde este necesară o stabilitate de înaltă frecvență. În special, în oscilatoarele de referință ale sintetizatoarelor de frecvență și în stațiile radio transceiver pentru generarea unui semnal DSB la o frecvență intermediară și detectarea unui semnal SSB sau telegrafic.

Ele sunt, de asemenea, utilizate în filtrele trece-bandă de cuarț de frecvență intermediară a receptoarelor superheterodine. Astfel de filtre pot fi implementate într-un circuit de scară sau diferențial și se caracterizează printr-un factor de calitate foarte ridicat și o stabilitate în comparație cu filtrele LC.

În funcție de tipul carcasei, rezonatoarele de cuarț pot fi ieșite pentru montaj volumetric (standard și cilindric) și pentru montare la suprafață (SMD).

Calitatea circuitului, care include rezonatoare de cuarț, este determinată de parametri precum toleranța de frecvență (deviația de frecvență), stabilitatea frecvenței, capacitatea de sarcină, îmbătrânirea .

Beneficii

Obținerea unor factori de calitate mult mai mari ( 10 4 - 10 6 ) ai circuitului oscilator echivalent decât în orice alt mod.
Dimensiuni mici ale dispozitivului (până la fracțiuni de milimetru).
Stabilitate la temperaturi ridicate.
Durabilitate mare.
Cea mai bună fabricabilitate.
Construirea de filtre în cascadă de înaltă calitate, fără a fi nevoie să le configurați manual.

Dezavantaje

Gama extrem de restrânsă de reglare a frecvenței prin elemente externe. În practică, pentru sistemele multibandă, această problemă este rezolvată prin construirea de sintetizatoare de frecvență de diferite grade de complexitate.

Vezi și

Note

↑ GOST 2.736-68 Sistem unificat pentru documentația de proiectare. Denumirile grafice condiționate în scheme. Elemente piezoelectrice și magnetostrictive; linii de întârziere. . Consultat la 21 noiembrie 2018. Arhivat din original la 21 noiembrie 2018. (nedefinit)

Literatură

Smagin A. G., Yaroslavsky M. I. Piezoelectricitatea rezonatoarelor de cuarț și cuarț. - M . : „Energie”, 1970. - 488 p. - 6000 de exemplare.

Altshuller G. B. Stabilizarea frecvenței cuarțului. - M . : „Comunicare”, 1974. - 272 p. - 5600 de exemplare.

Androsova V. G., Bankov V. N., Dikidzhi A. N. și colab.Manual de rezonatoare cu cuarț / Ed. P. G. Pozdnyakova. - Comunicare, 1978. - 288 p. — 15.000 de exemplare.

Glukman L. I. Rezonatoare piezoelectrice de cuarț. - Ed. a 3-a, revizuită. si suplimentare - M . : Radio şi comunicare, 1981. - 232 p. — 10.000 de exemplare.

Zelenka I. Rezonatoare piezoelectrice pe unde acustice în vrac și de suprafață: Materiale, tehnologie, design, aplicare: Per. din cehă. — M .: Mir, 1990. — 584 p. - 4050 de exemplare. - ISBN 5-03-001086-6 .

Ladik A. I., Stashkevich A. I. Produse de tehnologie electronică. Dispozitive piezoelectrice și electromecanice: un manual. - M . : Radio și comunicare, 1993. - 104 p. - 3000 de exemplare. — ISBN 5-256-01145-6 , ISBN 5-256-00588-X .

Link -uri

Oscilator de cristal - articol din Marea Enciclopedie Sovietică .
Khomenko IV, Kosykh AV Rezonatoare și generatoare de cuarț. Tutorial. Arhivat pe 24 noiembrie 2018 la Wayback Machine

În cataloagele bibliografice	GND : 4180559-8 J9U : 987007553483705171 LCCN : sh85095902 NKC : ph307640

Componente electronice
Pasiv	Rezistor Rezistor variabil Rezistor trimmer Varistor fotorezistor Condensator condensator variabil Condensator de tuns Varikond Inductor Transformator Rezonator cu cuarț Siguranță Siguranță resetabilă memristor bareter
Stare solidă activă	Dioda Dioda electro luminiscenta Fotodiodă dioda laser Dioda Schottky diodă Zener Stabistor Varicap Magnetodioda Pod de diode Dioda Gunn dioda tunel Diodă de avalanșă Diodă de avalanșă tranzistor tranzistor bipolar Tranzistor cu efect de câmp tranzistor CMOS tranzistor unijunction Fototranzistor Tranzistor compozit tranzistor balistic Circuit integrat Circuit integrat digital Circuit integrat analogic Circuit integrat analog-digital circuit integrat hibrid tiristor Triac Dinistor fototiristor Optocupler ( optocupler cu rezistență ) Senzor Hall
Vacuum activ și descărcare de gaz	Lămpi cu vid Dioda electrovacuum ( Kenotron ) Triodă tetrodă tetroda fasciculului Pentodă hexod Heptod ( Pentagrid ) Octod Nonod mechatron Lămpi cu descărcare diodă Zener Thyratron Ignitron Krytron Trigatron Decatron Magnetron Clistron Amplitron ( Platinotron ) Lampă cu val de călătorie Lampă cu undă inversă Tub catodic
Dispozitive de afișare	Tub catodic Ecran LCD Dioda electro luminiscenta Indicator de descărcare Indicator fluorescent în vid Tabloul de bord Blinker Indicator cu șapte segmente Indicator de matrice Cinescop
Acustic	Microfon Difuzor Tensometru Emițător piezoceramic Buzzer capsulă telefonică
Termoelectric	Termistor Termocuplu Elementul Peltier

Ceas
Conform principiului acţiunii	Cadran solar Nocturlabium ceas cu apă ceas de foc Clepsidră Ceasuri mecanice Ceas cu quartz ceas electric Ceas digital ceas atomic ceas cu flori
Prin programare	Alarma Cronometru Temporizator Cronometru ceas de șah ceas astronomic Ceas de premiu ceas subacvatic
Tip	Tower clock (ceasul în turnul cu ceas ) Ceasuri militare Ceas de buzunar ceas de șanț Ceas de mână Ceasul bunicului Ceas cu cuc
Detalii și mecanisme de ceasuri	Gnomon Urmăriți scăparea Pendul Generator de semnal Rezonator cu cuarț Fata de ceas
celebrul ceas	Clopoțeii Kremlinului din Moscova Marele Ben Praga sună Turnul Zimmer Zytglogge

Microcontrolere

Arhitectură

8 biți	MCS-51 MCS-48 PIC AVR Z8 H8 COP8 68HC08 68HC11
pe 16 biți	MSP430 MCS-96 MCS-296 PIC24 MAXQ Nios 68HC12 68HC16 CR16/C
pe 32 de biți	RISC-V BRAŢ MIPS AVR32 PIC32 683XX M32R superh Nios II Am29000 LatticeMico32 MPC5xx PowerQUICC Elice de paralaxă

Producătorii

Componente

Periferie

Interfețe

FreeRTOS
μClinux
BerTOS
ChibiOS/RT
eCos
RTEMS
Unison
MicroC/OS-II
Nucleu
Contiki

Programare

JTAG
C2
programator
MPLAB
AVR Studio
MCStudio