Kvarts resonator

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 3. juli 2020; checks kræver 6 redigeringer .

En kvartsresonator ( slang for "kvarts" ) er en elektronisk enhed, hvor den piezoelektriske effekt og fænomenet mekanisk resonans bruges til at bygge et højkvalitets resonanselement i et elektronisk kredsløb.

En kvartsresonator bør skelnes fra enheder, der bruger andre piezoelektriske materialer, såsom specialkeramik (se keramisk resonator ).

Sådan virker det

På en plade, tynd cylinder, ring eller stang, skåret ud af en kvartskrystal med en bestemt orientering i forhold til de krystallografiske akser af en enkelt krystal, er 2 eller flere elektroder påført - ledende metalstrimler fremstillet ved vakuumaflejring eller ved afbrænding af et metal film på specificerede krystaloverflader.

Resonatoren er mekanisk fastgjort til noderne i driftsvibrationstilstanden for at reducere tabet af vibrationsenergi gennem krystaltilslutningen. For andre svingningsmåder er knuderne af naturlige svingninger placeret andre steder i krystallen, og derfor undertrykkes andre oscillationsmåder. For den arbejdende vibrationstilstand har krystallen en vis naturlig resonansfrekvens af mekaniske vibrationer, og ved denne frekvens er kvalitetsfaktoren for den mekaniske resonator meget høj.

Når der påføres en spænding til elektroderne, på grund af den omvendte piezoelektriske effekt, forekommer bøjning, kompression eller forskydning, afhængigt af hvordan krystallen skæres i forhold til de krystallografiske akser, konfigurationen af excitationselektroderne og placeringen af fastgørelsen point.

Som et resultat af den piezoelektriske effekt inducerer krystallens naturlige vibrationer en yderligere EMF på elektroderne, og derfor opfører kvartsresonatoren sig elektrisk som et resonanskredsløb - et oscillerende kredsløb, der består af kondensatorer , induktans og modstand , og kvalitetsfaktoren for denne tilsvarende det elektriske kredsløb er meget højt og tæt på kvalitetsfaktoren for sin egen mekaniske svingningskrystal.

Hvis frekvensen af den påførte spænding er lig med eller tæt på frekvensen af naturlige mekaniske vibrationer af pladen, er energiomkostningerne til at opretholde pladens svingninger meget lavere end ved en stor forskel i frekvens. Dette svarer også til opførselen af det elektriske oscillerende kredsløb.

Tilsvarende elektrisk kredsløb

Ifølge adfærden i elektriske kredsløb kan en kvartsresonator repræsenteres som en første tilnærmelse i form af et ækvivalent elektrisk kredsløb vist på figuren, hvor:

C_{0}

- krystallens iboende kapacitans, dannet af elektroderne på krystallen - kondensatorpladerne, hvor selve krystallen er dielektrikumet og den parasitære kapacitans af krystalholderen og elektriske ledninger forbundet parallelt med denne kapacitans;

C_{1}

, er den ækvivalente kapacitans og induktans af resonatorens mekaniske oscillatoriske system;

L_{1}

R_{1}

er den ækvivalente tabsmodstand for det mekaniske svingningssystem.

Matematisk kan den elektriske impedans i form af Laplace-transformationen skrives i henhold til reglerne for parallel- og serieforbindelse af to-terminal netværk :

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

hvor er den komplekse frekvens af Laplace-transformationen, to lodrette linjer angiver parallelforbindelsen af en kondensator og et kredsløb bestående af serieforbundne , , ,

s=j\omega

C_{0}

C_{1}

L_{1}

R_{1}

eller:

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})}}.

I et sådant ækvivalent kredsløb observeres to typer resonans - serier, som opstår, når reaktanserne er ens , og ved denne resonans er den samlede elektriske modstand (impedansmodul) lille og praktisk talt ens , og parallel resonans, hvor den samlede modstande og impedansen af kredsløbet, der består af dem i serie, er lige forbundne par kondensatorer , mens kredsløbets impedans er høj, da strømmen ved resonans løber i det interne kredsløb, der består af alle to-terminale ækvivalente kredsløb. $X_{C_{1))$ $X_{L_{1))$ $R_{1}$ $X_{L_{1))$ $X_{C_{1},C_{2))$

Resonansfrekvens for serieresonans : ${\displaystyle \omega _{\mathrm {s} ))$

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

Resonansfrekvens af parallel resonans : $\omega _{\mathrm {p} }$

\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}}}}}.

Ved at måle impedansen af en kvartsresonator ved fire forskellige frekvenser, efter at have løst et system med 4 ligninger, er det muligt at bestemme parametrene for alle to-terminal netværk inkluderet i det ækvivalente kredsløb. I praksis er en typisk kapacitans af en kondensator tiendedele og endda hundrededele af pF, induktans er en til ti af Gn , modstand er ti til hundrede af ohm , parasitisk kapacitans er snese af pF . $C_{1}$ $L_{1}$ $R_{1}$ $C_{0}$

Da bølgemodstanden ved serie- og parallelresonans er meget stor i forhold til seriemodstand , giver dette en meget høj kvalitetsfaktor for resonanskredsløbet, der når adskillige millioner. $R_{w}={\sqrt {\frac {L_{1}}{C_{1}}}}$ $R_{1}$

Da formlen for parallelresonansfrekvensen i praksis kan forenkles: $C_{0}\gg C_{1}$

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

Igen, da det følger af formlerne, at frekvenserne af serie- og parallelle resonanser er meget tætte, for eksempel for typiske pF og pF for en kvartsresonator på flere MHz, afviger resonansfrekvenserne med 0,5 %. $C_{0}\gg C_{1}$ $C_{1}=0,1$ $C_{0}=10$

Serieresonansens resonansfrekvens kan ikke ændres ved at tilslutte et eksternt kredsløb til kvartsresonatoren, da induktansen og kapacitansen af det tilsvarende kredsløb bestemmes af krystallens egen mekaniske resonans. ${\displaystyle \omega _{\mathrm {s} ))$ $C_{1}$ $L_{1}$

Resonansfrekvensen af den parallelle resonans kan reduceres inden for små grænser, næsten med brøkdele af en procent, da kapacitansen også er inkluderet i formlen for frekvensen ved at tilslutte en ekstern kondensator til kvartsresonatoren. Det er også muligt at øge resonansfrekvensen inden for små grænser ved at tilslutte en ekstern induktor , denne metode bruges sjældent. $C_{0}\gg C_{1}$ $C_{0}$

Producenter af kvartsresonatorer under deres fremstilling justerer mekanisk resonansfrekvensen med en ekstern kondensator tilsluttet. Kapacitansen af kondensatoren, der leverer den parallelle resonansfrekvens, der er angivet af producenten, er normalt angivet i specifikationen for en bestemt resonator; uden denne eksterne kondensator tilsluttet, vil resonansfrekvensen være lidt højere.

Historie

Den piezoelektriske effekt blev først opdaget af brødrene Jacques og Pierre Curie i 1880. Paul Langevin brugte først denne effekt i praksis i ultralydssenderen og -modtageren af sonar -ultralyd før Første Verdenskrig .

Den første elektromekaniske resonator, baseret på Rochelle salt , blev lavet i 1917 og patenteret i 1918 af Alexander M. Nicholson fra Bell Telephone Laboratories , selvom dens prioritet blev bestridt af Walter Guyton Cady , der lavede kvartsresonator i 1921.

Nogle forbedringer i designet af kvartsresonatorer blev foreslået senere af Lewis Essen og George Washington Pierce .

De første frekvensstabile kvartsresonatorer blev udviklet i 1920'erne og 1930'erne. Fra 1926 begyndte kvartsresonatorer i radiostationer at blive brugt som elementer, der satte bærefrekvensen . Samtidig steg antallet af virksomheder, der begyndte at producere kvartsresonatorer, kraftigt, for eksempel blev mere end 100 tusinde stykker produceret i USA indtil 1939 alene.

Ansøgning

En af de mest populære typer resonatorer er resonatorer, der bruges i urkredsløb og timere . Resonansfrekvensen af clock-resonatorer er 32.768 Hz ; når divideret med en 15-bit binær tæller , giver det et tidsinterval på 1 sekund .

De bruges i fastfrekvensgeneratorer, hvor højfrekvensstabilitet er påkrævet. Især i referenceoscillatorerne af frekvenssynthesizere og i transceiver-radiostationer til generering af et DSB-signal ved en mellemfrekvens og detektering af et SSB- eller telegrafsignal.

De bruges også i kvartsbåndpasfiltre af mellemfrekvensen af superheterodyne modtagere. Sådanne filtre kan implementeres i et stige- eller differentialkredsløb og er kendetegnet ved en meget høj kvalitetsfaktor og stabilitet sammenlignet med LC-filtre.

Afhængigt af husets type kan kvartsresonatorer udsendes til volumetrisk montering (standard og cylindrisk) og til overflademontering (SMD).

Kvaliteten af kredsløbet, som inkluderer kvartsresonatorer, bestemmes af parametre som frekvenstolerance (frekvensafvigelse), frekvensstabilitet, belastningskapacitans, aldring .

Fordele

Opnåelse af meget højere kvalitetsfaktorer ( 10 4 - 10 6 ) af det tilsvarende oscillerende kredsløb end på nogen anden måde.
Små dimensioner af enheden (ned til brøkdele af en millimeter).
Høj temperatur stabilitet.
Stor holdbarhed.
Den bedste fremstillingsevne.
Opbygning af højkvalitets kaskadefiltre uden behov for manuelt at konfigurere dem.

Ulemper

Ekstremt smalt område af frekvensjustering af eksterne elementer. I praksis løses dette problem for multibåndssystemer ved at konstruere frekvenssynthesizere af varierende grad af kompleksitet.

Se også

Noter

↑ GOST 2.736-68 Samlet system til designdokumentation. Betingede grafiske betegnelser i skemaer. Piezoelektriske og magnetostriktive elementer; forsinkelseslinjer. . Hentet 21. november 2018. Arkiveret fra originalen 21. november 2018. (ubestemt)

Litteratur

Smagin A. G., Yaroslavsky M. I. Piezoelektricitet af kvarts- og kvartsresonatorer. - M . : "Energi", 1970. - 488 s. - 6000 eksemplarer.

Altshuller G. B. Quartz frekvensstabilisering. - M . : "Kommunikation", 1974. - 272 s. - 5600 eksemplarer.

Androsova V. G., Bankov V. N., Dikidzhi A. N. et al. Håndbog om kvartsresonatorer / Ed. P. G. Pozdnyakova. - Kommunikation, 1978. - 288 s. — 15.000 eksemplarer.

Glukman L. I. Piezoelektriske kvartsresonatorer. - 3. udg., revideret. og yderligere - M . : Radio og kommunikation, 1981. - 232 s. — 10.000 eksemplarer.

Zelenka I. Piezoelektriske resonatorer på bulk- og overfladeakustiske bølger: Materialer, teknologi, design, anvendelse: Pr. fra tjekkisk. — M .: Mir, 1990. — 584 s. - 4050 eksemplarer. - ISBN 5-03-001086-6 .

Ladik A. I., Stashkevich A. I. Produkter af elektronisk teknologi. Piezoelektriske og elektromekaniske enheder: En håndbog. - M . : Radio og kommunikation, 1993. - 104 s. - 3000 eksemplarer. — ISBN 5-256-01145-6 , ISBN 5-256-00588-X .

Links

Krystaloscillator - artikel fra Great Soviet Encyclopedia .
Khomenko IV, Kosykh AV Kvartsresonatorer og generatorer. Tutorial. Arkiveret 24. november 2018 på Wayback Machine

I bibliografiske kataloger	GND : 4180559-8 J9U : 987007553483705171 LCCN : sh85095902 NKC : ph307640

Elektroniske komponenter
Passiv	Modstand Variabel modstand Trimmer modstand Varistor fotomodstand Kondensator variabel kondensator Trimmer kondensator Varikond Induktor Transformer Kvarts resonator Sikring Nulstillelig sikring memristor baretter
Aktiv fast tilstand	Diode Lysdiode Fotodiode laser diode Schottky diode zener diode Stabistor Varicap Magnetodiode Diode bro Gunn diode tunnel diode Lavine diode Lavine diode Transistor bipolær transistor Felteffekt transistor CMOS transistor unijunction transistor Fototransistor Komposit transistor ballistisk transistor Integreret kredsløb Digitalt integreret kredsløb Analogt integreret kredsløb Analog-digital integreret kredsløb hybrid integreret kredsløb Thyristor Triac Dinistor fototyristor Optokobler ( modstandsoptokobler ) Hall sensor
Aktivt vakuum og gasudledning	Vakuum lamper Elektrovakuumdiode ( Kenotron ) Triode tetrode stråle tetrode Pentode hexod Heptod ( Pentagrid ) okt Nonod mekatron Udladningslamper zener diode Thyratron Ignitron Krytron Trigatron Decathron Magnetron Klystron Amplitron ( Platinotron ) Vandrende bølgelampe Backwave lampe Katodestrålerør
Displayenheder	Katodestrålerør LCD display Lysdiode Udledningsindikator Vakuum fluorescerende indikator Blinker resultattavle Syv-segment indikator Matrix indikator Kinescope
Akustisk	Mikrofon Højttaler Strain gauge Piezokeramisk emitter Summer telefonkapsel
Termoelektrisk	Termistor Termoelement Peltier-elementet

Kigge på
Efter handlingsprincippet	Solur Nocturlabium vand ur brand ur Timeglas Mekaniske ure Quartz ur elektrisk ur Digitalt ur atomur blomsterur
Efter aftale	Alarm Stopur Timer Kronometer skak ur astronomisk ur Award ur undervandsur
Type	Tårnur (ur i klokketårnet ) Militære ure Lommeur skyttegravsur Armbåndsur Bedstefars ur Gøgeur
Detaljer og mekanismer af ure	Gnomon Se flugt Pendulum Signal generator Kvarts resonator Urskive
berømt ur	Klokkespil fra Kreml i Moskva Big Ben Prags klokkespil Zimmer Tower Zytglogge

Mikrocontrollere

Arkitektur

8-bit	MCS-51 MCS-48 PIC AVR Z8 H8 COP8 68HC08 68HC11
16-bit	MSP430 MCS-96 MCS-296 PIC24 MAXQ Nios 68HC12 68HC16 CR16/C
32-bit	RISC-V ARM MIPS AVR32 PIC32 683XX M32R superh Nios II Am29.000 LatticeMico32 MPC5xx PowerQUICC Parallax propel

Producenter

Komponenter

Periferi

Grænseflader

FreeRTOS
μClinux
BeRTOS
ChibiOS/RT
eCos
RTEMS
Unison
MicroC/OS-II
Nucleus
Contiki

Programmering

JTAG
C2
programmør
MPLAB
AVR Studio
MCStudio