Компоненты электронной техники (стр. 11 из 11)
4. Кварцевые резонаторы
4.1 Описание кристалла кварца
Кристаллический кварц SiO (кремнезем) – безводная двуокись кремния. В природе существует четыре разновидности кварца в зависимости от температуры его образования. Главное значение в технике имеет в-кварц, обладающий пьезоэффектом. При нагревании выше 573 С в результате полиморфного превращения в-кварц переходит в а-кварц, который не обладает свойством пьезоэффекта. Поэтому в процессе производства, когда кварцевые резонаторы проходят различные стадии технологической обработки при высоких температурах, следует остерегаться повышения температуры.
Чаще всего встречается в-кварц следующих цветов:
· Бесцветный – горный хрусталь;
· Дымчатый – раухтопаз;
· Черный – морион;
· Золотистый – желтый – цитрин;
· Сиреневый – аметист.
Нагревание кристалла кварца имеет до температуры 350 С приводит к обесцвечиванию его за счет обесцвечивания примесей, кристалл приобретает прозрачность.
Кристалл кварца имеет вид шестигранной призмы с двумя шестигранными пирамидами на концах. В таком виде кристаллы кварца встречаются редко. Форма кристалла кварца образована гранями пяти видов. Этих граней в кристалле кварца по шесть (всего в кристалле может быть до 30 граней). По их положению кристалл кварца определяется на левый и правый. В природе встречаются левые и правые кристаллы, являющиеся зеркальным отображением друг друга.
Элементарная ячейка кристаллической решетки кварца имеет форму параллелепипеда – это кристаллические оси кристалла.
Направление z называется оптической осью, потому, что когда в этом направлении через кристалл проходит поляризованный свет, плоскость поляризации поворачивается. Электрическая проводимость кварца в направлении оптической оси значительно выше, чем в других направлениях.
Кристалл кварца является анизотропным веществом и обладает следующими физическими свойствами:
Плотность…………………………………………………….2.65г/см3
Твердость (по шкале твердости Мооса)………………………7г/см3
Температура плавления……………………………………….1710оС
Удельное электрическое сопротивление при температуре 20оС, измененное параллельно оси z………………………………0,1*1015Ом/см3
Перпендикулярно оси z……………………………20*1015Ом/см3
Сопротивление раздавливанию……………………………..3-4 Гпа
Сопротивление разрыву………………………………………100 Мпа
Коэффициент теплового объемного расширения ……………30*10-6
Коэффициент линейного расширения параллельно оси z……9*10-6
Перпендикулярно оси z………………………………14.8*10-6
Диэлектрическая проницаемость в направлении, параллельном оси z….4.6 перпендикулярном оси z…………………………………………4.5
В шкале твердости минералов Мооса в числе 10 минералов, расположенных в порядке возрастания их относительной твердости, каждый последующий минерал может нанести царапину на предыдущем. В таблице 1.1 эти минералы отмечены звездочкой.
Кварц химически устойчив, он не растворяется в кислотах, за исключением плавиковой кислоты.
Таблица 1.1. Относительная твердость минералов
4.2 Типы кварцевых резонаторов
Кварцевые резонаторы различают не только по виду колебаний пьезоэлементов, но и по форме последних, числу электродов наружных выводов. Каждой форме пьезоэлементов кварцевых резонаторов соответствует один или несколько колебаний:
1) пьезоэлементам прямоугольной формы – продольные и поперечные колебания, колебания сдвига по контуру и толщине, колебания изгиба;
2) пьезоэлементам круглой формы и линзам – продольные и поперечные колебания, колебания сдвига по толщине;
3) брускам (стержням) квадратного или близкого к квадратному поперечного сечения – колебания изгиба и кручения.
По числу электродов кварцевые резонаторы делятся на двух-, трех- и четырехполюсные, а по числу наружных выводов из баллона – на двух-, четырех-, семи-, восьми- и девятивыводные.
По ГОСТ 6503-67 «Резонаторы кварцевые герметизированные на частоты колебаний от 0,75 до 100МГц» резонаторы разделились на два типа:
М – миниатюрные для диапазона частот от 5 до 100 МГц и Б – малогабаритные для диапазона частот от 0,75 до 100 МГц;
по конструкции выводов: М1 и Б1 – с жесткими выводами для вставки в панель;
М2 и Б2 – с легкими выводами для припайки;
М3 и Б3 – с жесткими выводами для припайки к ним гибких монтажных проводов.
На рис. 1.1. приведена конструкция и габаритные размеры кварцевого резонатора (У) на низкие частоты.
4.3 Эквивалентные параметры кварцевого резонатора
Кварцевый резонатор – пьезоэлектрический резонатор, основным элементом которого является кварцевый кристаллический элемент – электромеханическая колебательная система, всегда состоящая из держателя и смонтированного в нем вибратора.
Кварцевый резонатор при расчете внешних электрических цепей может быть заменен эквивалентным электрическим колебательным контуром с соответствующими параметрами.
Электрическая схема (рис. 1.2) имеет такое же полное сопротивление, как и пьезоэлектрический кварцевый резонатор на частотах, близких к резонансной. Эта схема состоит из последовательно соединенных динамической индуктивности Lк, динамической емкости Сх, динамического сопротивления Rк, параллельно соединенных статической емкости кварцевого резонатора С0 и статической емкости кварцедержателя С1. Эквивалентные параметры этого контура, т.е. динамические эквивалентные индуктивность Lк, емкость С и активное сопротивление Rк, обусловленные механическими колебаниями пьезоэлемента (пьезоэффектом) имеют численные значения параметров кварцевого резонатора.
Рис. 1.2. Эквивалентная Рис. 1.3. Зависимость сопротивления кварцевого схема пьезоэлектрического резонатора от частоты кварцевого резонатора
Таблица 1.2. Параметры кварцевых резонаторов
| Частота резонатора, кГц | Эквивалентные параметры резонаторов | ||
| L, Гн | R, кОм | С, пФ | |
| 4 5 6 9 14 20 25 30 40 60 150 300 500 800 1500 2000 3000 | 25000-120000 15000-60000 10000-45000 4000-25000 1000-15000 800-10000 500-5000 400-4000 200-2000 20-1000 10-300 6-100 5-90 1-45 0,3-6 0,09-2,5 0,02-1 | 3-100 2-80 2-60 1,5-40 1,5-20 1-10 0,8-8 0,5-7 0,4-5 0,3-5 0,05-2 0,07-2 0,04-1,5 0,02-3 0,01-0,4 0,007-0,3 0,005-0,1 | 25 25 25 25 25 20 17 17 15 25 120 80 50 30 12 15 10 |
Таблица 1.3. Диапазон частот резонатора
| Диапазон частот резонатора, МГц | Эквивалентные параметры резонаторы | |
| L, Гн | R, кОм | |
| 0,75-1 1-1,5 1,5-2 2-3 3-5 5-10 10-15 15-20 20-100 | 1-45 1-45 0,3-6 0,09-2,5 0,02-1 0,003-0,35 0,02-0,04 0,002-0,04 0,001-0,35 | 1,3 0,6 0,4 0,3 0,1 0,08 0,05 0,2 0,2 |
4.4 Резонансные частоты эквивалентной схемы пьезоэлектрического кварцевого резонатора
На рис. 1.3. показана зависимость сопротивления эквивалентной схемы пьезоэлектрического кварцевого резонатора от частоты. Параметры эквивалентного кварцевому резонатору контура дают возможность определить эти частоты. Частота f1 соответствует последовательному резонансу в ветви Lк, Ск, Rк и равна:
f1= 1/2p
При этой частоте электрическая эквивалентная схема кварцевого резонатора состоит из емкости С0 и сопротивления Rк (рис.1.4).
Рис. 1.4. Эквивалентная схема пьезоэлектрического кварцевого резонатора при последовательном и параллельном резонансе
Частота f2 соответствует параллельному резонансу всего контура и равна:
= 
При этой частоте электрическая эквивалентная схема кварцевого резонатора состоит из ветви Lк, Rк, Ск и параллельной емкости С0. Сопротивление ветви Lк, Rк, Ск имеет индивидуальный характер и представляет собой индуктивность L (рис. 1.6), равную:
L = 1/Wa(WaLk – 1/WaCk).