Kvartsresonatorer: syfte, tillämpning, handlingsprincip, användningsegenskaper

Vad är kvartsresonatorer till för?

Modern digital elektronik, komplett med mikroprocessorer och mikrokontroller, är helt enkelt otänkbara utan klockoscillationer. Och där klockans svängningar erhålls, finns generatorns och det oscillerande systemets funktion, och där det oscillerande systemet är, kommer både resonansfenomenet och en så viktig parameter som kvalitetsfaktorn nödvändigtvis att dyka upp. Här introduceras vi till kvartsresonatorer (oscillatorer).

Kvartsresonatorn (kvarts) är en generator av elektromagnetiska svängningar med en hög grad av frekvenskonstans, som använder kvartsplattans piezoelektriska och mekaniska egenskaper.

Enligt funktionsprincipen är en kvartsresonator en oscillator med kvartsfrekvensstabilisering. Sådana generatorer används som en mycket stabil mastergenerator i mätutrustning, frekvens- och tidsstandarder, kvartsklockor samt i olika elektronisk utrustning.

Nackdelen med kvartsresonatorer är att de bara kan generera vid fasta frekvenser som bestäms av kvartsets resonansfrekvens och praktiskt taget inte tillåter frekvensjustering.

Alla kvartsresonatorkretsar är indelade i två stora grupper beroende på vilken kvartsresonans (parallell eller serie) som används i dem. De mest utbredda är kvartsresonatorkretsar, där kvartsen arbetar nära sin parallella resonansfrekvens.

Så en kvartsresonator i en elektronisk krets är ett oslagbart alternativ till någon oscillerande kretssom består av en kondensator och en induktor. Utgången är den högsta Q-faktorn för kvartsresonatorer. Medan en bra LC-krets når en Q-faktor på 300, kan Q-faktorn för en kvartsresonator nå upp till 10 000 000. Som du kan se är överlägsenheten tiotusentals gånger. Ingen oscillerande krets kan alltså jämföras med en kvartsresonator vad gäller Q-faktor.

Onödigt att säga om temperaturens inverkan på resonansfrekvensen. Resonansfrekvensen för samma oscillerande krets beror starkt på TKE (temperaturkoefficient för kapacitans) för kondensatorn som kommer in i den. Kvarts, å andra sidan, har en mycket hög temperaturstabilitet, av denna anledning håller kvartsresonatorer stadigt sina positioner som oscillationskällor för klockfrekvensgeneratorer för olika ändamål.

Hur en kvartsresonator fungerar

För att förstå hur en kvartsresonator fungerar och fungerar räcker det att komma ihåg vad det är piezoelektrisk effekt… Föreställ dig en platta av lågtemperaturkvarts (kiseldioxid) utskuren från en kristall på ett visst sätt.Vinkeln med vilken en wafer skärs från kristallen bestämmer de elektromekaniska egenskaperna hos resonatorn som produceras. Elektroder är nu fästa på denna platta på båda sidor genom att avsätta lager av nickel, platina, guld eller silver, och solida trådar är fästa på dem. Hela strukturen är placerad i ett litet tätt hus.

Således erhölls ett elektromekaniskt oscillerande system, som har (på grund av de naturliga egenskaperna hos lågtemperaturkvarts) en piezoelektrisk effekt och har sin egen resonansfrekvens.

Om nu en växelspänning appliceras på elektroderna, vars frekvens är nära resonansfrekvensen för det resulterande oscillerande systemet, kommer plattan att börja sammandras mekaniskt och expandera med maximal amplitud, och på grund av den piezoelektriska effekten, ju närmare frekvensen för den pålagda spänningen är till resonans, desto lägre blir resistansen hos resonatorn. Detta är analogin med en kvartsresonator med en högfrekvent oscillatorkrets. Resultatet är i huvudsak analogt med en serie LC-krets.

Egenskaper hos en kvartsresonator

En kvartsresonator kan representeras i form av en ekvivalent krets, i vilken C0 är den elektriska monteringskapacitansen som bildas av metallkabelhållarna och elektroderna. C1, L och R är kapacitansen, induktansen och det aktiva motståndet för plattan direkt med elektroder, som en analog till en verklig oscillerande krets som erhålls på grund av plattans elektromekaniska egenskaper.

Om vi ​​utesluter monteringskapacitansen C0 från kretsen kommer vi uttryckligen att få en serieoscillerande krets.När det gäller beteckningen av resonatorn i diagrammet ser det ut som en kondensator med en rektangel som symboliserar en kvartskristall mellan plattorna.

I processen för montering och demontering av kvartsresonatorer på brädor genom lödning, bör man komma ihåg att överhettning av kvarts över 573 ° C är fylld med förlust av kristallens piezoelektriska egenskaper.