Кварцови резонатори
по материали на фирмата производител Meteor-course
Общи сведения за кварцовите резонатори
Кварцовите резонатори са елементи, които помагат на приемниците и предавателите да говорят на една и съща дължина на вълната. Когато комуникациите и радиоразпръскването започнаха да се развиват бързо, дизайнерите бяха изправени пред редица задачи за създаване, подобряване и подобряване на ефективността на предавателното и приемателно оборудване.
Тези задачи включваха:
- увеличете стабилността на повишените честоти;
- подобряване на селективните свойства на приемащото оборудване.
Решаването на поставените задачи се основаваше на създаването на принципно нови видове осцилационни системи. Пиезокварцовите резонатори са станали такива осцилаторни системи, които все още се използват широко в голямо разнообразие от индустрии: от радиоразпръскване до астрономия.
История на създаването
Пиезоелектричният ефект е открит за първи път от братята Жак и Пиер Кюри през 1880 г. Френският физик Липман през 1881 г., след като прочита работата на Кюри, предполага съществуването на обратен пиезоелектричен ефект, който братята Кюри потвърждават експериментално през същата година. Французинът Пол Ланжевен е първият, който използва този ефект в резонатор на сонарен часовник преди Първата световна война. Първият кристален резонатор, задвижван от рошелска сол, е направен през 1917 г. и патентован през 1918 г. от Александър М. Никълсън от американската Bell Telephone Laboratories, въпреки че това беше оспорено от Уолтър Гейтън Кади, който направи кварцов резонатор през 1921 г. Някои подобрения на кварцовите резонатори бяха въведени по-късно от Луис Есен и Джордж Вашингтон Пиърс.
Първите честотно стабилни кварцови резонаториса разработени през 20-те и 30-те години на миналия век. От 1926 г. кварцовите резонатори се използват в радиостанциите като елементи, които задават носещата честота. В същото време броят на компаниите, които започнаха да произвеждат кварцови резонатори, се увеличи драстично, само до 1939 г. в Съединените щати бяха произведени повече от 100 000 броя.
Български учени също са изследвали свойствата на кварца. Изключителният физик A.F. Йофе през 1915 г. получава докторска степен по физика за своето изследване на еластичните и електрически свойства на кварца. Освен това се заражда и напредва развитието на пиезокварцовата технология, разчитайки на работата на Шубников, лауреатите на Сталинската награда Коваленко, Шембел и други.
Пиезоелектричен ефект
Какво представлява пиезоелектричният ефект? Наблюдава се в някои кристални вещества (например кварц, турмалин и др.) И се състои в това, че механичната сила, приложена върху определени кристални повърхности поради деформацията му, предизвиква електрически заряд. Количеството заряд е пропорционално на приложената сила. Това се нарича директен пиезоелектричен ефект. Обратният пиезоелектричен ефект е, че електрическата поляризация на кристала е придружена от неговата деформация чрез компресия или напрежение, което зависи от знака на заряда. Директните и обратните пиезоелектрични ефекти на кварцовите пластини са в основата на електронното устройство на кварцовия резонатор. Когато честотата на променливото високочестотно напрежение, приложено към кварца, съвпадне с една от собствените му механични резонансни честоти, възниква явлението електромеханичен резонанс, което води до рязко увеличаване на електрическата проводимост и по същество до промяна в динамичното съпротивление на кристала.
Пиезоелектрични плочи, използвани като електромеханични осцилаторисистемите са изработени от кристален кварц. Трябва да знаете, че само нискотемпературният кварц има пиезоелектричен ефект. Такъв кварц е химически стабилен, не се разтваря в киселини (с изключение на флуороводородна) и има висока твърдост от 7 единици по 10-точкова скала.
Ако между две метални пластини-електроди, закрепени с държач и свързани с електродите с променлива потенциална разлика, се постави кварцова пластина, тогава в кристала ще възникнат трептения чрез пиезоелектричния ефект.
Вмъкване на геометрия
Кварцовите плочи се изрязват под различни ъгли спрямо кристалните оси. В исторически план първите плочи са били изрязани перпендикулярно на електрическата ос, имали са правоъгълна форма и са се колебаели надлъжно. Този избор се обяснява с факта, че в такива плочи пиезоелектричният ефект е максимален. Такива резонатори обаче имат и значителни недостатъци: наличието на странични резонанси и температурна нестабилност. Следователно такива резонатори рядко се използват в момента.
Опитите за подобряване на кварцовите резонатори доведоха до създаването на "наклонени" срезове, които са по-трудни за производство, но имат много предимства, някои от които са висока температурна стабилност и малък брой странични резонанси. Резонансната честота на кварца също зависи пряко от геометрията на плочата. На практика се използват десетки видове разрези на кристални елементи, които отговарят на цялото разнообразие от изисквания към кварцовите резонатори както по отношение на параметрите, така и по отношение на техните геометрични размери, често ограничени от конструкцията на оборудването. Геометрията на пиезоелектричния елемент е избрана така, че свързаните трептения на срязване по протежение на контура и трептения на огъване не влияят на честотата или че тяхната връзка с основния резонанс не се появява в рамките на работния интервалтемператури.
Резонансната честота е важен параметър, характеризиращ кварцовите резонатори. В момента кварцът се произвежда за резонансни честоти от стотици херца до стотици мегахерца. Кварцовите резонатори, предназначени да работят в нискочестотния диапазон, обикновено резонират на основния (или, както се казва, основен) хармоник. Първоначалният кристал при производството на такива резонатори се нарязва успоредно на една от осите на кристалната решетка. За високочестотни резонатори кристалът се нарязва по други оси, но "хармоничният" кварц, предназначен да работи на честоти до 150-300 MHz, се прави особено внимателно.
Елементи на кварцови резонатори
И така, кварцовите резонатори се състоят от следните части:
- пиезоелектричен елемент (пиезоелектричен елемент) - плоча, прът или тяло с различна форма, изработени от пиезоелектричен материал, имащи определени размери и ориентация спрямо кристалографските оси или определена посока на поляризация (за керамика) с електроди;
- електроди - проводими пластини, разположени в близост до кристала, предназначени да прилагат външно електрическо напрежение или да премахват пиезоелектрични заряди;
- корпус - обвивка, която предпазва пиезоелемента от външни механични и климатични въздействия и има изводи за свързване към външна електрическа верига;
- държач - устройство за фиксиране на позицията на пиезоелектричния елемент в случай на кварцов резонатор или върху платката на функционално пиезоелектрическо устройство;
- рефлектор - компактна сравнително масивна част под формата на шайба, топка или тяло с различна форма, монтирана върху телени държачи за предотвратяване на загуба на енергияпоради разпространението на възбудени PE механични трептения по тях;
- пиезоелектрически субстрат (пиезосубстрат) - пиезоелектрична плоча с филмови електроди, върху които са разположени и елементи с други функционални цели.
Кварцовият резонатор има по-добри характеристики от другите устройства за стабилизиране на честотата (колебателни вериги, пиезокерамични резонатори): стабилност на честота (честотен дрейф) и температура (промяна на резонансната честота в зависимост от температурата на околната среда).
Характеристики на кварцовите резонатори
Сред най-важните фактори, които характеризират качеството на кварцовия резонатор, са качествен фактор, температурен коефициент на честота и моночестота:
- термичната стабилност на кварцов резонатор е зависимостта на честотата на кварца от температурата, ясно е, че колкото по-малко честотата се променя с температурата, толкова по-добре;
- Q факторът е съотношението на резонансната честота към честотната лента, имащ най-висок фактор на качество Q
100 000–10 000 000, кварцовите резонатори също имат висока температурна стабилност и ниска дългосрочна честотна нестабилност (0,000001–0,00000001 за 10–25 години);
Честотният коефициент е една от величините, характеризиращи кварцовия резонатор. Понякога се нарича още вълнов фактор. Той свързва резонансната честота на пиезоелектричния елемент с неговите размери, които определят честотата на даден срез. честотен факторзависи от плътността на кварца и неговата еластичност. Също така честотният коефициент също зависи от ъгъла на срязване на кристалния елемент.
Видове кварцови резонатори
Според вида на корпуса кварцовите резонатори могат да бъдат изведени за обемен монтаж (стандартни и цилиндрични) и за повърхностен монтаж (SMD). Кварцовите резонатори могат да бъдат произведени в различни дизайни, да имат различни "опаковки" (корпусите могат да бъдат пластмасови, стъклени, метални, с различни форми и размери), но всички те са предназначени да стабилизират честотата в електронни устройства.
Пиезоелектричните кварцови резонатори разграничават:
- по предназначение (генератор, филтър и др.);
- за запълване на вътрешния обем на тялото (незапечатано, запечатано, вакуумно и др.);
- според реда на вибрациите на пиезоелектричния елемент;
- според броя на електромеханичните резонансни системи (единични, двойни и др.).
Активността на кварцовите резонатори е най-важният параметър за успешната работа на тези устройства. Активността на пиезоелектричен резонатор е качествена характеристика за оценка на способността на кварцов резонатор да бъде възбуден при определени условия. Дейността на резонатора не се определя напълно от собствените му параметри. Капацитетът на веригата, в която работи кварцов резонатор, оказва огромно влияние върху неговата дейност.
Практически са определени оптималните стойности на товарния капацитет за резонатори, работещи във веригата при основна честота на трептене и при механични хармоници. В първия случай товарният капацитет трябва да бъде в диапазона от 20 до 100 pF (стандартизираните стойности са 20, 30, 50 и 100 pF) и за резонатори, работещи на механични хармоници(при честоти над 15 MHz) в последователни резонансни вериги 12, 15.120 и 30 pF. Такива товарни капацитети осигуряват комбинация от висока активност и добра стабилност на честотата.
Режимът на работа на кварцовия резонатор се влошава значително, ако той работи без да се отчита влиянието на параметрите на осцилаторната верига върху параметрите на резонатора. Условията на работа на кварцовия резонатор и неговата активност до голяма степен зависят от параметрите на колебателната верига и режима на работа на кварцовия осцилатор.
В кварцовите резонатори, използвани във филтри, се използват основно същите видове трептения, както в генераторните кварцови резонатори. Филтрите използват дву- и четириелектродни вакуумни кварцови резонатори. В специални схеми на многозвездни кварцови филтри най-често се използват четириелектродни резонатори като по-икономични. Наличието на нежелани резонансни честоти във всеки пиезоелектричен елемент, заедно с основната честота на трептене, налага внимателно да се избере типът на прекъсване на пиезоелектрическия елемент, когато се използва във филтърна верига. Необходимо е неговите нежелани резонанси да бъдат изместени спрямо основната честота, а също така да не участват в основните трептения и да не влияят на реакцията на филтъра. Големината на нежеланите резонанси и тяхното изместване спрямо основната честота са решаващи при избора на кварцови резонатори за електрически филтри.
Контролът на температурата се използва за намаляване на дрейфа на честотата на резонаторите в широк диапазон от температурни промени. Кварцовият резонатор е поставен в термостат, който автоматично поддържа постоянна температура.
Еквивалентните параметри на кварцовите резонатори се влияят от редица причини. Трябва да се отбележи, че за практическа употреба това не е значението на нито едноеквивалентен параметър, но промяната му е причинена от промени във влияещия фактор. Динамичните параметри на кварцов резонатор се определят от физическите константи на кварца и размерите. Тези параметри силно зависят от външни фактори (например промени в механичния контакт на закрепването на пиезоелектричните елементи в държача).
Използването на кварцови резонатори
Трябва да се отбележи, че поради своите свойства кварцовите осцилатори са широко използвани.
Много измервателни уреди работят с помощта на кристални осцилатори, т.к. те осигуряват висока точност на измерване. Специални честотни стандарти или първични честотни стандарти са конструирани с осцилатор, стабилизиран от пиезоелектричен кварцов резонатор. Пиезоелектричната плоча се използва като резонатор в ехолот за откриване на обекти във водата, изследване на топографията на морското дъно и локализиране на рифове и плитчини. Това направи възможно изучаването на океана дори в най-дълбоките места и създаването на най-точните карти на морските дълбини.
И тъй като относителното изменение на честотата на кварцова плоча под въздействието на температурата с подходяща технология за нейното производство може да бъде сведено до минимум и се изчислява по стойности от 10 или по-малко, беше създадено устройство за точно измерване на времето и честотата - кварцов часовник.
Необходимостта от кварцови резонатори от различни видове непрекъснато нараства. Това се улеснява от непрекъснато разширяващите се области на тяхното приложение, високите метрологични характеристики, рентабилността на масовото им производство, както и други параметри за качество и ефективност, разгледани по-горе. Селективният, подчертан резонансен характер на съпротивлението на тези компоненти определя основните области на приложение на кварцовите резонатори - високостабилнитактови и референтни генератори, схеми за избор на честота, честотни синтезатори и др.