Кварцевый генератор это: Кварцевые генераторы

Кварцевый генератор | это… Что такое Кварцевый генератор?

Обозначение пьезоэлектрического кварцевого резонатора на электрических принципиальных схемах.

Ква́рцевый генера́тор — автогенератор электромагнитных колебаний с колебательной системой, в состав которой входит кварцевый резонатор. Предназначен для получения колебаний фиксированной частоты с высокой температурной и временно́й стабильностью, низким уровнем фазовых шумов.

Содержание 1 Характеристики 1.1 Частота 1.2 Стабильность частоты 1.3 Уровень фазовых шумов 1.4 Тип выходного сигнала 1.5 Наличие и тип термостабилизации 1.6 Возможность перестройки частоты 2 Принцип работы 3 Использование 4 См. также 5 Примечания 6 Литература

Характеристики

Миниатюрный 4 МГц кварцевый резонатор, закрытый в герметичный корпус HC-49.

Частота

Пассивная эквивалентная схема кварцевого резонатора.

Частота собственных колебаний кварцевого генератора может находиться в диапазоне от нескольких кГц до сотен МГц. Она определяется физическими размерами резонатора, упругостью и пьезоэлектрической постоянной кварца, а также тем, как вырезан резонатор из кристалла. Так как кварцевый резонатор является законченным электронным компонентом, его частоту можно изменять внешними элементами и схемой включения в очень узком диапазоне выбором резонансной частоты (параллельный или последовательный) или понизить параллельно включённым конденсатором. Существуют, однако, кустарные методики подстройки резонатора. Это целесообразно в случаях, когда желательно иметь несколько резонаторов с очень близкими параметрами. Для уменьшения частоты на кристалл кратковременно воздействуют парами йода (это увеличивает массу серебряных обкладок), для увеличения частоты обкладки резонатора шлифуют.

В 1997 году компания Epson Toyocom выпустила в свет серию генераторов SG8002, в конструктиве которых присутствуют блок подстроечных конденсаторов и два делителя частоты. Это позволяет получить практически любую частоту в диапазоне от 1 до 125 МГц. Однако, данное достоинство неизбежно влечёт за собой недостаток — повышенный джиттер (фазовый шум). Цитата: Генератор с внутренними цепями фазовой автоподстройки частоты необходимо с предельной осторожностью применять в схемах, содержащих внешние цепи ФАПЧ.^[1]

Стабильность частоты

Колебания кварцевого генератора характеризуются высокой стабильностью частоты (10⁻⁵ ÷ 10⁻¹²), что обусловлено высокой добротностью кварцевого резонатора (10⁴ ÷ 10⁵).

Уровень фазовых шумов

У лучших генераторов спектральная плотность мощности фазовых шумов может быть менее −100 дБн/Гц на отстройке 1 Гц и менее −150 дБн/Гц на отстройке 1 кГц при выходной частоте 10 МГц.

Тип выходного сигнала

Генераторы могут изготавливаться как в модификации с синусоидальным выходным сигналом, так и с сигналом прямоугольной формы, совместимым по логическим уровням с одним из стандартов (TTL, CMOS, LVCMOS, LVDS и т.  д.).

Наличие и тип термостабилизации

• термокомпенсированные (TCXO)
• термостатированные (OCXO, DOCXO)

Возможность перестройки частоты

• фиксированной частоты
• частота управляется напряжением (VCXO)
• частота управляется цифровым кодом (NCXO)

Принцип работы

Внешнее напряжение на кварцевой пластинке вызывает её деформацию. А она, в свою очередь, приводит к появлению зарядов на поверхности кварца (пьезоэлектрический эффект). В результате этого механические колебания кварцевой пластины сопровождаются синхронными с ними колебаниями электрического заряда на её поверхности и наоборот.

Для обеспечения связи резонатора с остальными элементами схемы непосредственно на кварц наносятся электроды, либо кварцевая пластинка помещается между обкладками конденсатора.

Для получения высокой добротности и стабильности резонатор помещают в вакуум и поддерживают постоянной его температуру.

Использование

Кварцевые генераторы используют для измерения времени (кварцевые часы), в качестве стандартов частоты. Кварцевые генераторы широко применяются в цифровой технике в качестве тактовых генераторов.

См. также

• Кварц
• Кварцевый резонатор
• Генератор электронный
• Генератор Пирса
• Генератор тактовых импульсов

Примечания

1. ↑ Однократно программируемые кварцевые генераторы Epson

Литература

• Смагин А. Г., Ярославский М. И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. — М.: «Энергия», 1970. — 488 с. — 6000 экз.

• Шитиков Г. Т., Цыганков П. Я., Орлов О. М. Высокостабильные кварцевые автогенераторы / Под ред. Г. Т. Шитикова. — М.: «Советское радио», 1974. — 376 с. — 11 300 экз.

• Альтшуллер Г. Б. Управление частотой кварцевых автогенераторов. — Изд. 2-е, перераб. и доп.. — М.: «Связь», 1975. — 304 с. — 7000 экз.

• Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. — М.: Радио и связь, 1984.  — 232 с. — 27 000 экз.

Кварцевый генератор | это… Что такое Кварцевый генератор?

Обозначение пьезоэлектрического кварцевого резонатора на электрических принципиальных схемах.

Ква́рцевый генера́тор — автогенератор электромагнитных колебаний с колебательной системой, в состав которой входит кварцевый резонатор. Предназначен для получения колебаний фиксированной частоты с высокой температурной и временно́й стабильностью, низким уровнем фазовых шумов.

Содержание 1 Характеристики 1.1 Частота 1.2 Стабильность частоты 1.3 Уровень фазовых шумов 1.4 Тип выходного сигнала 1.5 Наличие и тип термостабилизации 1.6 Возможность перестройки частоты 2 Принцип работы 3 Использование 4 См. также 5 Примечания 6 Литература

Характеристики

Миниатюрный 4 МГц кварцевый резонатор, закрытый в герметичный корпус HC-49.

Частота

Пассивная эквивалентная схема кварцевого резонатора.

Частота собственных колебаний кварцевого генератора может находиться в диапазоне от нескольких кГц до сотен МГц. Она определяется физическими размерами резонатора, упругостью и пьезоэлектрической постоянной кварца, а также тем, как вырезан резонатор из кристалла. Так как кварцевый резонатор является законченным электронным компонентом, его частоту можно изменять внешними элементами и схемой включения в очень узком диапазоне выбором резонансной частоты (параллельный или последовательный) или понизить параллельно включённым конденсатором. Существуют, однако, кустарные методики подстройки резонатора. Это целесообразно в случаях, когда желательно иметь несколько резонаторов с очень близкими параметрами. Для уменьшения частоты на кристалл кратковременно воздействуют парами йода (это увеличивает массу серебряных обкладок), для увеличения частоты обкладки резонатора шлифуют.

В 1997 году компания Epson Toyocom выпустила в свет серию генераторов SG8002, в конструктиве которых присутствуют блок подстроечных конденсаторов и два делителя частоты. Это позволяет получить практически любую частоту в диапазоне от 1 до 125 МГц. Однако, данное достоинство неизбежно влечёт за собой недостаток — повышенный джиттер (фазовый шум). Цитата: Генератор с внутренними цепями фазовой автоподстройки частоты необходимо с предельной осторожностью применять в схемах, содержащих внешние цепи ФАПЧ.^[1]

Стабильность частоты

Колебания кварцевого генератора характеризуются высокой стабильностью частоты (10⁻⁵ ÷ 10⁻¹²), что обусловлено высокой добротностью кварцевого резонатора (10⁴ ÷ 10⁵).

Уровень фазовых шумов

У лучших генераторов спектральная плотность мощности фазовых шумов может быть менее −100 дБн/Гц на отстройке 1 Гц и менее −150 дБн/Гц на отстройке 1 кГц при выходной частоте 10 МГц.

Тип выходного сигнала

Генераторы могут изготавливаться как в модификации с синусоидальным выходным сигналом, так и с сигналом прямоугольной формы, совместимым по логическим уровням с одним из стандартов (TTL, CMOS, LVCMOS, LVDS и т.  д.).

Наличие и тип термостабилизации

• термокомпенсированные (TCXO)
• термостатированные (OCXO, DOCXO)

Возможность перестройки частоты

• фиксированной частоты
• частота управляется напряжением (VCXO)
• частота управляется цифровым кодом (NCXO)

Принцип работы

Внешнее напряжение на кварцевой пластинке вызывает её деформацию. А она, в свою очередь, приводит к появлению зарядов на поверхности кварца (пьезоэлектрический эффект). В результате этого механические колебания кварцевой пластины сопровождаются синхронными с ними колебаниями электрического заряда на её поверхности и наоборот.

Для обеспечения связи резонатора с остальными элементами схемы непосредственно на кварц наносятся электроды, либо кварцевая пластинка помещается между обкладками конденсатора.

Для получения высокой добротности и стабильности резонатор помещают в вакуум и поддерживают постоянной его температуру.

Использование

Кварцевые генераторы используют для измерения времени (кварцевые часы), в качестве стандартов частоты. Кварцевые генераторы широко применяются в цифровой технике в качестве тактовых генераторов.

См. также

• Кварц
• Кварцевый резонатор
• Генератор электронный
• Генератор Пирса
• Генератор тактовых импульсов

Примечания

1. ↑ Однократно программируемые кварцевые генераторы Epson

Литература

• Смагин А. Г., Ярославский М. И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. — М.: «Энергия», 1970. — 488 с. — 6000 экз.

• Шитиков Г. Т., Цыганков П. Я., Орлов О. М. Высокостабильные кварцевые автогенераторы / Под ред. Г. Т. Шитикова. — М.: «Советское радио», 1974. — 376 с. — 11 300 экз.

• Альтшуллер Г. Б. Управление частотой кварцевых автогенераторов. — Изд. 2-е, перераб. и доп.. — М.: «Связь», 1975. — 304 с. — 7000 экз.

• Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. — М.: Радио и связь, 1984.  — 232 с. — 27 000 экз.

Кварцевые генераторы – Генераторы – Основы электроники

Генераторы

Кварцевые генераторы — это генераторы, в которых кристалл

специальной огранки управляет частотой. Кристаллы представляют собой тонкие листы или пластины, вырезанные из пьезоэлектрического материала. и отшлифовать до определенной толщины, чтобы получить желаемая резонансная частота. Кристаллы обладают характеристикой, известной как пьезоэлектрический эффект . Пьезоэлектрический эффект — это свойство кристалла, благодаря которому механически силы производят электрические заряды и, наоборот, электрические заряды производят механические силы. Этот эффект представляет собой форму колебаний, аналогичную эффект маховика баковой цепи.

Кристаллы установлены в держателях, поддерживающих их физически и обеспечивают электроды, с помощью которых подается напряжение. Держатель должны обеспечивать свободу кристаллов для вибрации. Кварцевый генератор обычно используется для получения выход, который является очень стабильным и на очень точной частоте.

Кристалл можно использовать с емкостной схемой или он может работать отдельно.

Пьезоэлектрический эффект можно наблюдать в ряде кристаллических веществ. Среди них кварц, сегнетовая соль и турмалин. Хотя кварц не проявляет пьезоэлектрический эффект в такой степени что сегнетова соль делает, кварц используется для управления частотой в генераторах из-за большей механической прочности. Турмалин физически силен как кварц; но поскольку он более дорогой, он не используется широко в качестве устройство определения частоты. Это обсуждение будет касаться только кварца. кристалл.

Фактор Q кристалла во много раз больше, чем у контур бака LC. Высокий Q присутствует, потому что сопротивление в кристалл маленький. Коммерчески производимые кристаллы обычно варьируются в диапазоне Q от от 10 ⁴ до 10 ⁶ . Высокий Q вызывает стабильность частоты быть намного больше, чем у обычной схемы бака LC. Это причина кристалл используется во многих схемах генератора синусоидального сигнала.

Величина тока, которая может безопасно пройти через кварц, составляет ограниченный. При превышении номинального тока амплитуда механического вибрация становится слишком большой, и кристалл может треснуть. Перегрузка кристалла влияет на частоту вибрации, потому что рассеиваемая мощность и кристалл повышение температуры с увеличением тока нагрузки.

Кристаллы как настроенные схемы

Частота, до которой отшлифован кристалл, называется собственная резонансная частота кристалла. Напряжение, подаваемое на кристалл производит механические колебания, которые, в свою очередь, создают выходное напряжение при собственная резонансная частота кристалла. Вибрирующий кристалл может быть представлена ​​эквивалентной электрической цепью, состоящей из емкости, индуктивность и сопротивление.

На рисунке ниже вид (А) иллюстрирует символ кристалла; вид (Б) показана эквивалентная схема для кристалла. Конденсатор C _S , индуктор L _С , и резистор R _S на виде (Б) представляют электрические аналог кристалла кварца. C _P представляет собой емкость между металлическими пластинами держатель кристалла.

Кварцевый кристалл и эквивалентная схема.

Емкость держателя C _P примерно в 100 раз больше велика, как вибрационная емкость, C _S , самого кристалла. Наличие как последовательных, так и параллельных резонансных частот выявляется характеристика импеданса в зависимости от частоты типичного кристалла кварца показано на рисунке ниже. Эта кривая очень острая, что указывает на высокий уровень В . На практике установлено, что соотношение L / C эквивалента контур чрезвычайно велик по сравнению с контуром обычного бака. Для большинства кристаллов разница в частоте между f _P и f _S очень мал по сравнению с резонансным рядом частота кристалла.

Частотная характеристика кристалла.

В зависимости от характеристик схемы кристалл может действовать как конденсатор, индуктор, последовательный резонансный контур или параллельный резонансный контур. При последовательном резонансе ( f _S ) емкости C _S и индуктивность L _S , у кристалла минимум полное сопротивление и резонансная частота контура генератора определяется только механическими вибрационными характеристиками кристалла. Выше резонанса последовательный резонансный контур действует индуктивно , а ниже резонанса его действует емкостно .

Последовательная резонансная частота кристалла определяется как

Выше частоты последовательного резонанса ( f _S ) индуктивная реактивное сопротивление индуктивности L _S больше емкостного реактивное сопротивление емкости C _S . Комбинация ( L _S и C _S ) отображается как результирующая индуктивность. Эта чистая индуктивность образует параллельный резонансный контур с емкостью C _P и любая емкость цепи, появляющаяся на кристалле. Параллельный резонансный контур имеет максимум импеданс на параллельно-резонансной частоте. Ниже резонанса параллельный резонансный контур действует индуктивно , а над резонансом его действует емкостно .

Параллельная резонансная частота кристалла определяется как

Генератор Армстронга с кварцевым управлением

Генератор Армстронга с кварцевым управлением (см. рисунок ниже) использует последовательно-резонансный режим работы кристалл и работает аналогично базовый генератор Армстронга с настроенным коллектором. Повышенная стабильность частоты достигается при вставке кристалл на пути обратной связи. Однако частота в основном фиксируется кристалл. Для получения генератора с переменной частотой использовались различные кристаллы можно включить в цепь. Переменный конденсатор C ₁ марка схема настраивается на выбранную частоту кристалла.

Осциллятор Армстронга, управляемый кристаллом.

Рекуперативная обратная связь от коллектора к базе осуществляется через взаимную индуктивность. между обмотками трансформатора Т ₁ . Это обеспечивает необходимый фазовый сдвиг на 180 градусов для сигнала обратной связи. Резисторы R _B , R ₁ и R _C обеспечивают напряжения смещения базы и коллектора. Конденсатор С _Е обходит колебания переменного тока вокруг эмиттерного резистора R _E . На частотах выше и ниже последовательно-резонансной частоты выбранного кристалла, импеданс кристалла увеличивается и уменьшается количество сигнал обратной связи. Это, в свою очередь, предотвращает колебания при частот, отличных от частоты последовательного резонанса.

Кварцевый осциллятор типа Колпитца

Этот генератор использует кварцевый блок в качестве параллельного резонансного контура. это модифицированный Осциллятор Колпитца, который был описан ранее. Они работают так же, за исключением того, что кристалл единица заменяет катушку индуктивности основного генератора Колпитца.

Кварцевый генератор типа Колпитца, конфигурация с общим эмиттером.

На рисунке выше показана конфигурация генератора Колпитца с общим эмиттером. с обратной связью от коллектора к базе. Резисторы в схеме обеспечивают надлежащие условия смещения и стабилизации. Кристаллический блок и конденсаторы C ₁ и C ₂ определить выходную частоту генератора. Конденсаторы С ₁ и C ₂ образуют делитель напряжения для этой цепи. Сигнал, полученный в точке А, не совпадает по фазе с сигналом на 180 градусов. в точке B. Следовательно, сигнал в точке B может быть возвращен на базу Q в качестве регенеративного сигнала обратной связи для поддержания колебания.

Примечания к заявке на проектирование кварцевого генератора

Авторы: Дэвид Мини, вице-президент по глобальным техническим продажам и маркетингу, и Дин Кларк, директор по операциям в Европе, ECS Inc. International

Скачать PDF

Что такое осциллятор?

Генератор представляет собой электронную схему, генерирующую повторяющийся сигнал. Этот сигнал может быть во многих формах в зависимости от приложения. Некоторым приложениям требуются базовые часы для поддержания рабочих интервалов для процессов. Для других приложений требуются часы с очень чистой формой волны и высокой стабильностью для обеспечения высококачественной связи и передачи данных.

В аналоговых приложениях, таких как радиочастотные приемопередатчики, которые используют супергетеродин для приема и передачи цепочек сигналов, обычно обнаруживаются синусоидальные формы выходных сигналов. Синусоида представляет собой непрерывную волну, представляющую собой гладкие периодические колебания. При радиочастотной связи синусоидальный выход генератора обеспечивает точную опорную частоту с низким уровнем шума для трансивера.

В цифровой электронике мы видим прямоугольные выходные сигналы. Прямоугольные волны — это форма волны, амплитуда которой изменяется от минимальной до максимальной с постоянной частотой. Идеальная прямоугольная волна будет иметь минимальный и максимальный периоды равной продолжительности, и это будет иметь рабочий цикл 50/50%. На практике рабочий цикл будет иметь некоторые отклонения, поэтому более типичными могут быть значения 45/55% или 60/40%. Выходной сигнал прямоугольной формы имеет множество применений, но широко используется для измерения времени выполнения инструкций в схеме или микропроцессоре.

Осцилляторы

Осцилляторы могут иметь несколько различных типов резонаторов, связанных с ними. Самым продуктивным и эффективным из них является кварц. Вы также можете найти генераторы, в которых используются керамические резонаторы, резонаторы на основе SAW[1] или MEMS[2] , которые являются отправной точкой для рабочей частоты. Они используют механическую вибрацию или настроенные полости для генерации тактового сигнала. В случае генератора на основе кварца состав кварцевого материала и углы, под которыми срезан кристалл, делают этот тип генератора очень точным и стабильным в широком диапазоне температур. Процесс изготовления кварцевых заготовок для генераторов занимает много времени и включает множество этапов для обеспечения неизменно высокого качества продукта, но они обеспечивают значительно более высокую стабильность по сравнению с RC-генераторами.

Принципы генератора

В основе схемы генератора лежит стабильный выходной сигнал в установившемся состоянии. Один из способов добиться этого — использовать петлю положительной обратной связи. Здесь часть выходного напряжения является обратной связью со входом без чистого фазового сдвига, что усиливает выходной сигнал. Затем сигнал усиливается и снова зацикливается, вызывая рост выходного сигнала. Усиление в контуре обратной связи должно регулироваться до единичного усиления, иначе сигнал будет обрезан и искажен.

Рисунок 1 – Контур обратной связи генератора, показывающий условия для генерации

На рисунке 1 мы видим упрощенный контур генератора обратной связи, показывающий, что базовая схема генератора состоит из каскада усиления и цепи обратной связи, которая действует как фильтр, определяющий, каким должно быть усиление контура обратной связи.

Рисунок 2. Конструкция генератора Пирса с использованием процессора с инвертором и резистором обратной связи.

На рис. 2 показана схема генератора Пирса, обычно используемая в цифровых процессорах. В этом типе конструкции кварцевого генератора фильтр состоит из эквивалентной модели кварцевого резонатора и внешних нагрузочных конденсаторов. Точная частота, на которой будет работать генератор, зависит от угловых сдвигов фазы контура в цепи генератора. Изменения фазового угла приведут к изменению выходной частоты.

Время запуска

Время запуска — это период, когда осциллятор впервые включается. В этот период будут неустойчивости, пока колебания не стабилизируются. Время запуска обычно измеряется в микросекундах (мкс), но оно зависит от частоты и контролируется контуром обратной связи. Величина усиления замкнутого контура оказывает большое влияние на время запуска. Факторы, отрицательно влияющие на коэффициент усиления замкнутого контура, включают низкий уровень возбуждения, более высокие значения емкостной нагрузки кристалла (CL) и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Низкий коэффициент усиления может привести к чрезмерно долгому времени запуска, а слишком высокий коэффициент усиления может привести к полному сбою запуска или перенапряжению кристаллической структуры. Идеальный коэффициент усиления зависит от отрицательного сопротивления цепи генератора, где привод должен преодолеть отрицательное сопротивление для запуска и создания выходного сигнала генератора. Из-за этого частота генератора напрямую влияет на время запуска, поэтому время, необходимое для обращения по петле, значительно больше для генератора кГц, чем для генератора МГц. Плохой запас по усилению является распространенной проблемой в генераторах кГц, поскольку уровни возбуждения на порядок ниже, а ESR кварца на порядок выше. Чтобы преодолеть эти проблемы, требуется тщательное проектирование, чтобы согласовать уровни возбуждения с подходящими значениями CL и ESR.

Реактивное сопротивление

Импеданс кварцевого кристалла изменяется настолько сильно при изменении приложенной частоты, что все остальные компоненты схемы можно рассматривать как имеющие по существу непрерывное реактивное сопротивление. Следовательно, когда кварцевый блок используется в контуре обратной связи генератора, частота кварцевого блока будет регулироваться сама по себе, так что ее реактивное сопротивление будет удовлетворять коэффициенту усиления по фазе контура. Зависимость реактивного сопротивления кварцевого кристалла от частоты показана на рисунке 3.9.0003

Рисунок 3 – Реактивное сопротивление в зависимости от частоты

Блок кварцевого кристалла можно заставить колебаться в любой точке вдоль линии между последовательными и параллельными резонансными точками путем включения реактивных компонентов (см. рис. 3, линия, отмеченная емкостной нагрузкой), таких как конденсаторы в контуре обратной связи генератора. схема. Частота, возникающая в результате добавления емкости, выше, чем последовательная резонансная частота; ее обычно называют параллельной частотой, однако она меньше фактической параллельной частоты. Поскольку с кварцевым кристаллом связаны две частоты нулевых фаз, существует два типа схем генератора. Эти схемы определяются типом используемого кристалла. Они либо последовательно резонансные, либо параллельные резонансные.

Цепь серии

В сбалансированной LC-цепи резонансная частота — это частота, при которой реактивное сопротивление индуктивности и реактивное сопротивление емкости компенсируют друг друга, оставляя только значение сопротивления. На рис. 4 показан последовательный резонансный контур.

Рисунок 4 – Последовательный резонансный контур

Параллельная цепь

Цепь параллельного резонансного генератора использует блок кристалла, который предназначен для работы с определенным значением емкости нагрузки. Это создаст результат, в котором частота кристалла выше, чем резонансная частота последовательного, но ниже, чем истинная частота параллельного резонанса. Эти схемы не предлагают других маршрутов, кроме как через блок Crystal для завершения цикла обратной связи. В случае отказа блока кристалла цепь больше не будет продолжать колебаться. Ниже приведено простое описание параллельного резонансного контура.

Рисунок 5 – Параллельный резонансный контур

Регулировка частоты «Вытягивание»

Кристалл можно «вытянуть» из его последовательной частоты, добавив реактивное сопротивление (емкость) последовательно с кристаллом. При работе в сочетании с внешней нагрузочной емкостью (CL) кварц колеблется в частотном диапазоне немного выше его последовательной резонансной частоты. Это параллельная (резонансная) частота. При заказе параллельного резонатора всегда указывайте номинальную параллельную резонансную частоту и емкость нагрузки цепи в пикофарадах (пФ).

Приблизительное уравнение для пределов вытягивания кристалла:

Пределы ∆f зависят от добротности кристалла и паразитной емкости цепи. Если известна емкость шунта, емкость движения и емкость нагрузки, то среднее тяговое усилие на пФ можно найти, используя:

Емкость можно изменить с помощью варакторного диода, где подтяжка может быть выполнена электрически для изменения значения емкости. Это используется в VCO, VCXO и VCTCXO для получения частоты.

Емкость нагрузки

Емкость нагрузки — это величина емкости внешней цепи, параллельной самому кристаллу. В этом примере мы видим, что режим параллельного резонанса кристаллов всегда выше частоты последовательного резонанса и характеризуется индуктивным сопротивлением. В режиме параллельных резонансных колебаний индуктивность кристалла (движущая индуктивность) параллельна емкости нагрузки генератора, тем самым образуя LC-контур. Этот LC определяет частоту генератора.

При указании последовательного резонансного кристалла емкостью нагрузки можно пренебречь, поскольку динамическая индуктивность и динамическая емкость кристалла являются единственными LC-компонентами, определяющими частоту колебаний.

CL можно определить по формуле:

Например, где CL1 и CL2 — нагрузочные конденсаторы, а C _S — паразитная емкость цепи, обычно 3 пФ ~ 5 пФ. Следует отметить, что изменение значения емкости нагрузки приведет к изменению выходной частоты генератора.

Если требуется точное регулирование частоты, необходимо точно указать емкость нагрузки. Для демонстрации предположим, что кварцевый блок рассчитан на работу на частоте 20 МГц с емкостью 20 пФ. Предположим, что кварцевый блок затем помещается в цепь, которая имеет оценку 30 пФ.

В этом случае частота кристалла будет ниже указанного значения. Наоборот, если рассматриваемая схема имеет оценку 10 пФ, частота будет выше указанного значения. Связь между частотой и емкостью нагрузки показана на рис. 6.9.0003

Рисунок 6 – Частота в зависимости от емкости нагрузки

Уровень привода 

Уровень возбуждения — это мощность, рассеиваемая кварцевым блоком во время работы. Мощность зависит от приложенного тока и обычно выражается в милливаттах (мВт) или микроваттах (мкВт). Модули кристалла определены как имеющие определенные максимальные значения уровня возбуждения, которые преобразуются в зависимости от частоты и режима работы. Превышение максимального уровня возбуждения для данного блока кристалла может привести к нестабильной работе, включая ускоренное старение, а в некоторых случаях и к полному выходу из строя кристалла. Уровень возбуждения можно рассчитать по следующему уравнению:

МОЩНОСТЬ = (I _{среднеквадратичное значение} ²  * R)

Отрицательное сопротивление

Для оптимальной работы схема генератора должна быть спроектирована таким образом, чтобы увеличить отрицательное сопротивление, которое иногда называют допуском колебаний. Определить величину отрицательного сопротивления можно путем последовательного включения переменного резистора.

Оценка величины отрицательного сопротивления в каждой цепи осуществляется путем временной установки переменного резистора последовательно с кварцевым блоком. Резистор должен быть изначально установлен на самое низкое значение, желательно близкое к нулю Ом. Затем запускается генератор, и его выходной сигнал контролируется на осциллографе. Затем переменный резистор настраивается так, чтобы сопротивление увеличивалось, в то время как выход постоянно контролировался. При некотором значении сопротивления колебание прекратится. В этот момент переменный резистор измеряется, чтобы определить омическое значение, при котором колебание прекращается. К этому значению необходимо добавить максимальное сопротивление кварцевого блока, указанное производителем. Полное омическое сопротивление считается отрицательным сопротивлением или допуском колебаний.

Для хорошей и надежной работы схемы рекомендуется, чтобы отрицательное сопротивление было как минимум в пять раз больше указанного максимального значения эквивалентного последовательного сопротивления кварцевого блока. Значения отрицательного сопротивления, превышающие пятикратное максимальное сопротивление кристаллического блока, еще лучше. Поскольку отрицательное сопротивление имеет тенденцию к уменьшению при повышенной температуре, рекомендуется проводить испытание при самой высокой температуре рабочего диапазона.

Генератор крутизны

Еще один способ определить, будет ли генератор стабильно запускаться, — это рассмотреть крутизну. Чтобы гарантировать, что колебание начнется и достигнет стабильной фазы, генератор должен обеспечить достаточное усиление, чтобы компенсировать потери в колебательном контуре и обеспечить энергию для нарастания колебаний. Как обсуждалось в разделе «Запуск», отношение между коэффициентом усиления генератора и критическим коэффициентом усиления контура генерации не может превышать 1, так как это приведет к слишком долгому времени запуска генератора или даже к полной остановке запуска. Конструкторы должны стараться уложиться в запас по усилению больше 5. Эти параметры определяются по формуле запас по усилению = gm/g _mcrit ≥ 5 gm — крутизна генератора, указанная в техническом описании ИС.

Для генераторов МГц крутизна находится в диапазоне десятков мА/В, тогда как для генераторов кГц крутизна находится в диапазоне от нескольких до нескольких десятков мкА/В, в зависимости от продукта.

г _мкрит  определяется как минимальная крутизна генератора, необходимая для поддержания стабильных колебаний.

Предполагая, что в конструкции используются одинаковые значения CL1 и CL2, и что нагрузка на кристалл такая же, как и на CL кристалла, g _мкрит  выражается следующим образом:

При рассмотрении вопроса о запуске генератора важен выбор параметров кварца; снижение ESR, частоты, C0 и CL уменьшит g _mcrit и, таким образом, максимизирует запас усиления.

Частота и режим обертонов

Частота кварцевого кристалла ограничена физическими размерами вибрирующего кварцевого элемента. В некоторых случаях ограничивающими размерами являются длина и ширина. Наиболее популярным кристаллическим блоком является кристалл огранки AT. Предельным размером является толщина вибрирующего кварцевого элемента. По мере уменьшения толщины частота повышается. В какой-то момент, обычно около 50 МГц, толщина кварцевой пластины становится слишком хрупкой для использования в полевых условиях.

Если вам нужно разработать генератор на более высоких частотах, который будет достаточно надежным для работы в полевых условиях, мы можем рассмотреть возможность использования одной из других резонансных частот. Это более низкие частоты амплитуды, которые генерируются как гармоники. Все эти гармоники будут иметь нечетные целые числа основной частоты. Следовательно, если кварцевый блок имеет основную частоту 10 МГц, его также можно заставить колебаться в 3, 5, 7 и т. д. раз больше основной частоты. То есть единица будет колебаться с частотой 30 МГц, 50 МГц и 70 МГц и т. д. Эти кратные основной частоте называются обертонами и идентифицируются целым числом умножения, например, третий обертон, пятый обертон, седьмой обертон и т. д. ● Когда требуется использование на частоте обертона, кварцевый блок должен работать на желаемой частоте и на желаемом обертоне. Никогда не следует пытаться заказать кварцевый блок основной моды, а затем использовать его на частоте обертонов. Это связано с тем, что процесс производства кристаллов отличается для основных и обертоновых кристаллов.

Во многих случаях характеристики интегральной схемы, используемой в конструкции генератора, требуют подавления основной частоты кварца, чтобы обеспечить работу на желаемой частоте, а не на более мощной основной частоте. Необходимо доработать схему генератора. Одним из способов модификации является добавление контура бака, состоящего из катушки индуктивности и конденсатора. Эти модификации показаны на рис. 7 и рис. 8 для последовательных и параллельных резонансных цепей.

Рисунок 7 – Модификация последовательного резонансного контура

Рисунок 8 – Модификация параллельного резонансного контура

В обоих случаях схема резервуара настроена на резонанс на некоторой частоте между основной и желаемой частотой. Это изолирует желаемую частоту и шунтирует остальные на землю, оставляя только желаемую частоту на выходе генератора.

Вопросы дизайна

При проектировании схемы генератора или компоновке платы для генератора необходимо учитывать определенные конструктивные соображения. Всегда рекомендуется избегать параллельных дорожек, чтобы уменьшить емкость лотка. Все дорожки должны быть как можно короче, а компоненты должны быть изолированы, чтобы предотвратить сопряжение. Для изоляции сигналов следует использовать заземляющие плоскости.

Существует множество других терминов, с которыми вам необходимо ознакомиться во время разработки. ЭКС. Inc предлагает широкий выбор продуктов для управления частотой и магнитных полей. Существует также обширная библиотека с техническими руководствами, обучающими видео и эталонными проектами, которые вы можете просмотреть.

Веб-сайт ECS Inc.

Воспользуйтесь следующими ссылками на нашу библиотеку технических ресурсов:

Технические руководства

Видеообучение

Эталонные конструкции

[1] ПАВ – резонатор на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Однопортовый резонатор на ПАВ имеет один IDT (Inter Digital Transducer), изготовленный на кварцевой подложке, он генерирует и принимает ПАВ. Конструкция имеет два решетчатых отражателя, они отражают ПАВ и создают стоячую волну между двумя отражателями. Затем он преобразуется обратно в электрический сигнал.

[2] МЭМС – микроэлектромеханическая система. Резонатор MEMS представляет собой кремниевое устройство, в котором используется нанометровая резонансная структура для создания вибрирующей структуры.