Kvarčni resonatorji: namen, uporaba, princip delovanja, značilnosti uporabe

Čemu so namenjeni kvarčni resonatorji?

Sodobna digitalna elektronika, skupaj z mikroprocesorji in mikrokontrolerji, si brez oscilacij ure preprosto ni mogoča. In kjer se dobijo nihanja ure, je delovanje generatorja in nihajnega sistema, in kjer je nihajni sistem, se bosta nujno pojavila tako pojav resonance kot tako pomemben parameter, kot je faktor kakovosti. Tu se seznanimo s kvarčnimi resonatorji (oscilatorji).

Kvarčni resonator (kvarc) je generator elektromagnetnih nihanj z visoko stopnjo konstantnosti frekvence, ki uporablja piezoelektrične in mehanske lastnosti kremenčeve plošče.

Po principu delovanja je kvarčni resonator oscilator s kvarčno frekvenčno stabilizacijo. Takšni generatorji se uporabljajo kot zelo stabilni glavni generator v merilni opremi, frekvenčnih in časovnih etalonih, kvarčnih urah, pa tudi v različni elektronski opremi.

Pomanjkljivost kvarčnih resonatorjev je, da lahko generirajo le pri fiksnih frekvencah, ki jih določa resonančna frekvenca kvarca, in praktično ne omogoča nastavitve frekvence.

Vsa vezja kvarčnega resonatorja so razdeljena v dve veliki skupini, odvisno od tega, katera kvarčna resonanca (vzporedna ali zaporedna) se v njih uporablja. Najbolj razširjena so kvarčna resonatorska vezja, v katerih kvarc deluje blizu svoje vzporedne resonančne frekvence.

Torej je kvarčni resonator v elektronskem vezju nepremagljiva alternativa kateremu koli nihajni krogsestavljen iz kondenzatorja in induktorja. Izhod je najvišji Q-faktor kvarčnih resonatorjev. Medtem ko dobro LC vezje doseže Q-faktor 300, lahko Q-faktor kvarčnega resonatorja doseže do 10 000 000. Kot lahko vidite, je superiornost več desettisočkrat. Tako se noben nihajni tokokrog po Q-faktorju ne more primerjati s kvarčnim resonatorjem.

Ni treba posebej poudarjati vpliva temperature na resonančno frekvenco. Resonančna frekvenca istega nihajnega kroga je močno odvisna od TKE (temperaturni koeficient kapacitivnosti) kondenzatorja, ki vstopa vanj. Kvarc pa ima zelo visoko temperaturno stabilnost, zato kvarčni resonatorji trdno držijo svoje položaje kot viri nihanja za generatorje taktne frekvence za različne namene.

Kako deluje kvarčni resonator

Da bi razumeli, kako deluje in deluje kvarčni resonator, se je dovolj spomniti, kaj je piezoelektrični učinek… Predstavljajte si ploščo nizkotemperaturnega kremena (silicijevega dioksida), izrezano iz kristala na določen način.Kot, pod katerim je rezina odrezana od kristala, določa elektromehanske lastnosti resonatorja, ki se proizvaja. Na to ploščo so zdaj obojestransko pritrjene elektrode z nanosom plasti niklja, platine, zlata ali srebra, nanje pa so pritrjene polne žice. Celotna struktura je nameščena v majhnem zaprtem ohišju.

Tako smo dobili elektromehanski nihajni sistem, ki ima (zaradi naravnih lastnosti nizkotemperaturnega kremena) piezoelektrični učinek in ima lastno resonančno frekvenco.

Če zdaj na elektrode privedemo izmenično napetost, katere frekvenca je blizu resonančni frekvenci nastalega nihajnega sistema, se bo plošča začela mehansko krčiti in širiti z največjo amplitudo, zaradi piezoelektričnega učinka pa se bo bližje če je frekvenca uporabljene napetosti enaka resonanci, manjši bo upor resonatorja. To je analogija kvarčnega resonatorja z visokofrekvenčnim oscilatorskim krogom. Rezultat je v bistvu analogen serijskemu LC vezju.

Značilnosti kvarčnega resonatorja

Kvarčni resonator je mogoče predstaviti v obliki ekvivalentnega vezja, v katerem je C0 montažna električna kapacitivnost, ki jo tvorijo kovinski nosilci kablov in elektrode. C1, L in R so kapacitivnost, induktivnost in aktivni upor plošče neposredno z elektrodami, kot analog realnega nihajnega kroga, dobljenega zaradi elektromehanskih lastnosti plošče.

Če iz vezja izločimo montažno kapacitivnost C0, dobimo eksplicitno zaporedni nihajni krog.Kar zadeva oznako resonatorja na diagramu, je videti kot kondenzator s pravokotnikom, ki simbolizira kvarčni kristal med ploščama.

V procesu montaže in demontaže kvarčnih resonatorjev na ploščah s spajkanjem je treba upoštevati, da je pregrevanje kremena nad 573 ° C preobremenjeno z izgubo piezoelektričnih lastnosti kristala.