Кварц

 

 

Кварцевые кристаллы широко используются в современных электронных схемах как высококачественные настроенные схемы или резонаторы.

Несмотря на свою высокую производительность, кристаллы кварца дешевы в производстве, и они находят много применений в микропроцессорной технике так и традиционной радиочастотной. Как следует из названия, резонаторы изготовлены из кварца - естественной формы кремния, хотя в настоящее время большинство из них сделаны искусственно.Сегодня кварцевые резонаторы доступны во многих размерах и форматах в соответствии с требованиями большинства применений. От небольших устройств с поверхностным креплением до более крупных с отверстиями для гнезд с множеством размеров и форматов.

 

 

При помещении в электронную схему кварцевый кристалл действует как настроенная схема. Однако он имеет исключительно высокую добротность. Используются в двух основных видах применений, а именно в качестве резонансного элемента в генераторах, и в частотных фильтрах. В обоих применениях очень высокая добротность резонатора Q позволяет достичь очень высоких уровней производительности.

 

Природный кристалл

 

При выборе кварцевого резонатора существует много параметров, которые необходимо знать. Многие из них довольно просты, к примеру цифры допуска. Однако как и любая настроенная схема, кристалл может иметь параллельный или последовательный вид резонанс,. Если кристалл должен иметь параллельный резонанс, тогда необходимо будет выбрать емкость нагрузки. Это необходимо, потому что любая емкость на кристалле слегка изменит свой резонанс. Обычно это может быть 30 пФ, но это будет зависеть от схемы, которая будет использоваться. Когда источник напряжения приложен к небольшому тонкому куску кварцевого кристалла, он начинает изменять форму, создавая характеристику, известную как пьезоэлектрический эффект . Пьезоэлектрический эффект является свойством кристалла, посредством которого электрический заряд создает механическую силу, изменяя форму кристалла, и наоборот, механическая сила, приложенная к кристаллу, создает электрический заряд. Тогда пьезоэлектрические устройства можно классифицировать как преобразователи, так как они преобразуют энергию одного вида в другую. Кварц представляет собой очень малую тонкую деталь или пластину из разрезаемого кварца с двумя параллельными поверхностями, металлизированными для осуществления необходимых электрических соединений. Физический размер и толщина куска кварцевого кристалла строго контролируются, так как он влияет на конечную или основную частоту колебаний. Основная частота обычно называется «характеристической частотой» кристаллов. После вырезания и формования кристалл не может использоваться на любой другой частоте. Другими словами, его размер и форма определяют его основную частоту колебаний. Характерная или характерная частота кристаллов обратно пропорциональна его физической толщине между двумя металлизированными поверхностями. Механически вибрирующий кристалл может быть представлен эквивалентной электрической цепью, состоящей из низкого сопротивления R , большой индуктивности L и малой емкости C, как показано ниже.

 

Эквивалентная модель кварцевого кристалла

 

Эквивалентная электрическая схема для кристалла кварца показывает последовательную схему RLC , которая представляет механические колебания кристалла, параллельно с емкостью Cp, которая представляет электрические соединения с кристаллом. Кварцевые кварцевые генераторы имеют тенденцию работать в направлении своего «последовательного резонанса». Эквивалентный импеданс кристалла имеет последовательный резонанс, где Cs резонирует с индуктивностью, Ls на рабочей частоте кристаллов. Эта частота называется частотой серии кристаллов, ƒs . Как и эта частота серии, есть вторая точка частоты, созданная в результате параллельного резонанса, созданного, когда Ls и Cs резонируют с параллельным конденсатором Cp, как показано.

 

Сопротивление кристалла по отношению к частоте

 

Наклон импеданса кристаллов выше показывает, что при увеличении частоты на его клеммах. На определенной частоте взаимодействие между последовательным конденсатором Cs и индуктором Ls создает последовательный резонансный контур, сводящий импеданс кристаллов к минимуму и равный Rs . Эта частотная точка называется резонансной частотой кристаллов ƒs, а ниже ƒs кристалл является емкостным. При увеличении частоты выше этой резонансной точки, кристалл ведет себя как индуктор, пока частота не достигнет своей параллельной резонансной частоты ƒp . В этой частотной точке взаимодействие между индуктором серии Ls и параллельным конденсатором Cp создает параллельную настроенную цепь контура LC, и, таким образом, полное сопротивление кристалла достигает своего максимального значения. Тогда мы можем видеть, что кварцевый кристалл представляет собой комбинацию последовательных и параллельных резонансных контуров, осциллирующих на двух разных частотах с очень малой разницей между ними в зависимости от разреза кристалла. Кроме того, поскольку кристалл может работать как на своей серии, так и на параллельном резонансе, кварцевая схема генератора должна быть настроена на ту или иную частоту, поскольку вы не можете использовать их вместе. Поэтому, в зависимости от характеристик схемы, кварцевый кристалл может действовать либо как конденсатор, индуктор, последовательный резонансный контур, либо как параллельный резонансный контур, и чтобы продемонстрировать это более четко, мы можем также построить реактивное сопротивление кристаллов по частоте, как показано.

Критическая реактивность и частота

 

Наклон реактивности от частоты выше показывает, что последовательное реактивное сопротивление на частоте ƒs обратно пропорционально Cs, потому что ниже ƒs и выше ƒp кристалл появляется емкостным. Между частотами ƒs и ƒp кристалл оказывается индуктивным, поскольку две параллельные емкости компенсируются.

Тогда формула для резонансной частоты серии кристаллов ƒs задается как:

Резонансная частота

Параллельная частота резонанса, ƒp возникает , когда реактивное сопротивление последовательного участка LC равно реактивности параллельного конденсатора Cp и задается как:

Параллельная резонансная частота

Пример кварцевого кристалла Пример №1

Кристалл кварца имеет следующие значения: Rs = 6.4Ω , Cs = 0.09972pF и Ls = 2.546mH . Если емкость на его клемме, Cp измеряется при 28,68 пФ , Рассчитайте основную частоту колебаний кристалла и ее вторичную резонансную частоту.

Резонансная частота серии кристаллов, ƒ S

Параллельная резонансная частота кристалла, ƒ P

Мы видим, что разница между ƒs , основной частотой кристалла и ƒp мала на частоте около 18kHz (10.005MHz - 9.987MHz). Однако во время этого частотного диапазона Q-фактор (Фактор качества) кристалла чрезвычайно высок, поскольку индуктивность кристалла намного выше его емкостных или резистивных значений. Коэффициент добротности нашего кристалла на частоте резонанса серии определяется как:

Коэффициент добротности кристалла

Тогда Q-фактор нашего кристаллического примера, около 25 000, связан с этим высоким соотношением X L / R. Q-фактор большинства кристаллов находится в области от 20000 до 200000 по сравнению с хорошо сконфигурированным LC-контуром, который мы рассмотрели ранее, который будет намного меньше 1000. Это высокое значение добротности также способствует большей стабильности частоты кристалла на его рабочей частоте, что делает его идеальным для построения схем кварцевого генератора. Таким образом, мы видели, что кварцевый кристалл имеет резонансную частоту, подобную той, что имеет электрически настроенный контур цистерны LC, но с гораздо более высоким Q- фактором. Это связано главным образом с его низким последовательным сопротивлением, рупий . В результате кристаллы кварца являются отличным компонентом для использования в осцилляторах, особенно в высокочастотных генераторах. Типичные кварцевые генераторы могут колебаться в диапазоне частот от 40 кГц до более 100 МГц в зависимости от их конфигурации схемы и используемого усилительного устройства. Разрез кристалла также определяет, как он будет вести себя, поскольку некоторые кристаллы будут вибрировать на более чем одной частоте, создавая дополнительные колебания, называемые обертонами. Кроме того, если кристалл не имеет параллельной или равномерной толщины, он может иметь две или более резонансных частот как с основной частотой, создающей так называемые, так и гармоники, такие как вторая или третья гармоники. Обычно, хотя основная частота колебаний для кристалла кварца гораздо сильнее или выражена, чем основная частота колебаний и вторичные гармоники вокруг нее, так это и будет использоваться. На вышеприведенных графиках мы видим, что эквивалентная схема кристаллов имеет три реактивных компонента, два конденсатора и индуктивность, так что есть две резонансные частоты, самая низкая - резонансная частота, а наибольшая - параллельная резонансная частота. Мы видели в предыдущих уроках, что схема усилителя будет колебаться, если она имеет коэффициент усиления контура больше или равен единице, а обратная связь положительна. В схеме кварцевого кристаллического осциллятора осциллятор будет колебаться на кристалле основной параллельной резонансной частоты, поскольку кристалл всегда хочет колебаться при приложении к нему источника напряжения. Однако также возможно «настроить» кварцевый генератор на любую четную гармонику основной частоты (2-й, 4-й, 8-й и т. Д.), И они известны в общем случае как гармонические осцилляторы, в то время как генераторы обертонов колеблются с нечетными кратными основной частоты , 3-й, 5-й, 11-й и т. Д.). Как правило, кварцевые генераторы, которые работают на обертоновых частотах, делают это, используя их резонансную частоту.

Генератор Колпитца

Цепи кристаллического генератора обычно строятся с использованием биполярных транзисторов или полевых транзисторов. Это связано с тем, что хотя операционные усилители могут использоваться во многих различных низкочастотных (≤100 кГц) генераторных схемах, операционные усилители просто не имеют ширины полосы частот, чтобы успешно работать на более высоких частотах, подходящих для кристаллов выше 1 МГц.

 

Схема генератора Колпитца

 

Этот тип кристаллических осцилляторов сконструирован вокруг усилителя с общим коллектором (эмиттер-повторитель). Сеть резисторов R 1 и R 2 задает уровень смещения постоянного тока на базе, а эмиттерный резистор R E задает уровень выходного напряжения. Резистор R 2 устанавливается как можно больше, чтобы предотвратить загрузку в параллельный кристалл. Транзистор, 2N4265 - это NPN-транзистор общего назначения, соединенный в общей конфигурации коллектора и способный работать при скоростях коммутации свыше 100 МГц, значительно выше основной частоты кристаллов, которая может находиться в диапазоне между 1 МГц и 5 МГц. Схема, показанная выше в схеме Колпитского кристаллического осциллятора, показывает, что конденсаторы C1 и C2 замыкают выход транзистора, что уменьшает сигнал обратной связи. Поэтому коэффициент усиления транзистора ограничивает максимальные значения C1 и C2 . Амплитуда выходного сигнала должна поддерживаться на низком уровне, чтобы избежать чрезмерного рассеяния мощности в кристалле, в противном случае он может разрушить себя чрезмерной вибрацией.

Кварцевый генератор  Пирса

Другой распространенной конструкцией кварцевого кварцевого генератора является осциллятор Пирса . Осциллятор Пирса очень похож по конструкции на предыдущий осциллятор Колпитца и хорошо подходит для реализации схем кварцевого генератора с использованием кристалла как части его цепи обратной связи.  Осциллятор Пирса представляет собой в основном последовательную резонансную настроенную схему (в отличие от параллельной резонансной схемы генератора Колпитса), которая использует JFET для своего основного усилительного устройства, поскольку FET обеспечивают очень высокие входные импедансы с кристаллом, подключенным между Drain и Gate через конденсатор C1, как показано ниже.

Схема  Пирса

В этой простой схеме кристалл определяет частоту колебаний и работает на своей резонансной частоте, ƒs дает низкий импеданс между выходом и входом. В резонансе имеется фазовый сдвиг 180 o , что делает положительную обратную связь обратной. Амплитуда выходной синусоидальной волны ограничена максимальным диапазоном напряжений на клемме Drain. Резистор R1 контролирует количество обратной связи и привода кристалла, в то время как напряжение на радиочастотном дросселе, RFC изменяется во время каждого цикла. Большинство цифровых часов, часов и таймеров используют осциллятор Пирса в той или иной форме, поскольку он может быть реализован с использованием минимума компонентов. Помимо использования транзисторов и полевых транзисторов, мы также можем создать простой базовый параллело-резонансный кварцевый генератор, похожий на работу с осциллятором Пирса, используя инвертор CMOS в качестве элемента усиления. Основной кварцевый кварцевый генератор состоит из одного инвертирующего логического элемента триггера Шмитта, такого как TTL 74HC19 или CMOS 40106, 4049 типа, индуктивного кристалла и двух конденсаторов. Эти два конденсатора определяют величину емкости нагрузки кристалла. Серийный резистор помогает ограничить ток возбуждения в кристалле, а также изолирует выходной сигнал инверторов от комплексного импеданса, сформированного сетью конденсатор-кристалл.

КМОП-кристалл-генератор

Кристалл осциллирует на своей резонансной частоте. Инвертор CMOS изначально смещен в середине своей рабочей области с помощью резистора обратной связи R1 . Это гарантирует, что Q-точка преобразователя находится в области с высоким коэффициентом усиления. Здесь используется резистор номиналом 1 МОм, но его значение не является критическим, если оно превышает 1 МОм. Дополнительный инвертор используется для буферизации выходного сигнала от генератора к подключенной нагрузке. Инвертор обеспечивает фазовое смещение 180 o , а сеть конденсаторов - дополнительные 180 o , необходимые для колебаний. Преимущество кварцевого генератора КМОП заключается в том, что он всегда автоматически корректируется для поддержания этого фазового сдвига 360 o для колебаний. В отличие от предыдущих кварцевых генераторов на основе транзисторов, которые генерировали синусоидальный выходной сигнал, поскольку генератор CMOS-инвертора использует цифровые логические вентили, выход представляет собой квадратную волну, колеблющуюся между HIGH и LOW. Естественно, максимальная рабочая частота зависит от характеристик коммутации используемого логического элемента.

Микропроцессорные кварцевые часы

Практически все микропроцессоры, микроконтроллеры, ОСТО и ЦП вообще работают с использованием кварцевого кристаллического генератора в качестве устройства определения частоты для генерации их тактового сигнала, поскольку, как мы уже знаем, кварцевые генераторы обеспечивают самую высокую точность и стабильность частоты по сравнению с резистор-конденсатором, ( RC) или индуктивно-емкостные, (LC) осцилляторы. Частота процессора определяет, как быстро процессор может работать и обрабатывать данные с микропроцессором, ПОС или микроконтроллером, имеющим тактовую частоту 1 МГц, означает, что он может обрабатывать данные внутренне один миллион раз в секунду в каждом такте. Как правило, все, что необходимо для создания тактового сигнала микропроцессора, это кристалл и два керамических конденсатора с величинами от 15 до 33 пФ, как показано ниже.

Микропроцессорный генератор

Большинство микропроцессоров, микроконтроллеров и ПИК имеют два контакта генератора OSC1 и OSC2 для подключения к внешней кварцевой кристаллической схеме, стандартной сети генератора RC или даже керамическому резонатору. В этом типе применения микропроцессора Кварцевый Кристальный Осциллятор создает последовательность непрерывных импульсов прямоугольной формы, чья основная частота контролируется самим кристаллом. Эта основная частота регулирует последовательность команд, управляющих процессором. Например, основные часы и системное время.

Пример кварцевого кварцевого генератора №2

Кристаллический кварц после разреза имеет следующие значения: Rs = 1kΩ , Cs = 0,05pF , Ls = 3H и Cp = 10pF . Вычислите ряд кристаллов и параллельные колебательные частоты.

Частота колебания серии определяется как:

Параллельная частота колебаний задается как:

Тогда частота колебаний для кристалла будет находиться между 411 кГц и 412 кГц .