Kvartsresonaatorid: eesmärk, rakendus, toimepõhimõte, kasutusomadused
Milleks on kvartsresonaatorid?
Kaasaegne digitaalne elektroonika koos mikroprotsessorite ja mikrokontrolleritega on lihtsalt mõeldamatu ilma kella võnkumisteta. Ja kus saadakse kella võnkumised, seal on generaatori ja võnkesüsteemi töö ning seal, kus on võnkesüsteem, ilmnevad ilmtingimata nii resonantsnähtus kui ka selline oluline parameeter nagu kvaliteeditegur. Siin tutvustatakse meile kvartsresonaatoreid (ostsillaatoreid).
Kvartsresonaator (kvarts) on kõrge sageduse püsivusastmega elektromagnetiliste võnkumiste generaator, mis kasutab kvartsplaadi piesoelektrilisi ja mehaanilisi omadusi.
Tööpõhimõtte kohaselt on kvartsresonaator kvartssageduse stabiliseerimisega ostsillaator. Selliseid generaatoreid kasutatakse ülistabiilse peageneraatorina mõõteseadmetes, sagedus- ja ajastandardites, kvartskellades, aga ka erinevates elektroonikaseadmetes.
Kvartsresonaatorite puuduseks on see, et see suudab genereerida ainult fikseeritud sagedustel, mis on määratud kvartsi resonantssagedusega, ja praktiliselt ei võimalda sagedust häälestada.
Kõik kvartsresonaatori ahelad on jagatud kahte suurde rühma, olenevalt sellest, millist kvartsresonantsi (paralleel- või jadaresonantsi) neis kasutatakse. Kõige levinumad on kvartsresonaatorahelad, milles kvarts töötab oma paralleelse resonantssageduse lähedal.
Seega on elektroonilises vooluringis olev kvartsresonaator ületamatu alternatiiv kõigile võnkeahelkoosneb kondensaatorist ja induktiivpoolist. Väljund on kvartsresonaatorite kõrgeim Q-tegur. Kui hea LC-ahel jõuab Q-tegurini 300, siis kvartsresonaatori Q-tegur ulatub kuni 10 000 000. Nagu näha, on paremus kümnete tuhandete kordne. Seega ei saa Q-teguri poolest ühtki võnkeahelat võrrelda kvartsresonaatoriga.
Pole vaja öelda temperatuuri mõju kohta resonantssagedusele. Sama võnkeahela resonantssagedus sõltub tugevalt sellesse siseneva kondensaatori TKE-st (temperatuuri koefitsient). Kvartsil on seevastu väga kõrge temperatuuristabiilsus, seetõttu hoiavad kvartsresonaatorid kindlalt oma positsiooni erinevatel eesmärkidel kasutatavate taktsagedusgeneraatorite võnkeallikatena.
Kuidas kvartsresonaator töötab
Et mõista, kuidas kvartsresonaator töötab ja töötab, piisab, kui meeles pidada, mis see on piesoelektriline efekt… Kujutage ette madala temperatuuriga kvartsist (ränidioksiidist), mis on kristallist teatud viisil lõigatud.Nurk, mille all vahvel kristallist lõigatakse, määrab toodetava resonaatori elektromehaanilised omadused. Nüüd kinnitatakse sellele plaadile mõlemalt poolt elektroodid, ladestades nikli, plaatina, kulla või hõbeda kihte, ja nende külge on kinnitatud täistraadid. Kogu konstruktsioon asetatakse väikesesse suletud korpusesse.
Nii saadi elektromehaaniline võnkesüsteem, millel on (madaltemperatuurilise kvartsi loomulike omaduste tõttu) piesoelektriline efekt ja millel on oma resonantssagedus.
Kui nüüd rakendada elektroodidele vahelduvpinge, mille sagedus on lähedane tekkiva võnkesüsteemi resonantssagedusele, siis hakkab plaat mehaaniliselt kokku tõmbuma ja paisuma maksimaalse amplituudiga ning piesoelektrilise efekti tõttu, mida lähemal rakendatava pinge sagedus on resonants, seda väiksem on resonaatori takistus. See on kvartsresonaatori analoogia kõrgsagedusliku ostsillaatori ahelaga. Tulemus on sisuliselt analoogne seeria LC-ahelaga.
Kvartsresonaatori omadused
Kvartsresonaatorit saab esitada samaväärse vooluahela kujul, milles C0 on metallist kaablihoidikute ja elektroodide poolt moodustatud paigaldus elektriline mahtuvus. C1, L ja R on plaadi mahtuvus, induktiivsus ja aktiivtakistus otse elektroodidega, plaadi elektromehaaniliste omaduste tõttu saadud reaalse võnkeahela analoogina.
Kui jätta ahelast välja paigaldusmahtuvus C0, siis saame selgesõnaliselt järjestikuse võnkeahela.Mis puudutab resonaatori tähistust diagrammil, siis see näeb välja nagu kondensaator, mille plaatide vahel on kvartskristalli sümboliseeriv ristkülik.
Plaatide kvartsresonaatorite kokkupanemisel ja lahtivõtmisel jootmise teel tuleb meeles pidada, et kvartsi ülekuumenemine üle 573 ° C on täis kristalli piesoelektriliste omaduste kadumist.