Кварцевый резонатор

Кварцевый резонатор в кристаллодержателе

Обозначение кварцевого резонатора на принципиальной электрической схеме

Кварцевый резонатор (жарг. «кварц») — прибор, в котором пьезоэлектрический эффект и явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы. Следует отличать кварцевый резонатор от устройств, использующих другие пьезоэлектрические материалы — например, специальную керамику (см. Керамический резонатор).

Принцип действия

На пластинку, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца определённым образом, нанесены 2 или более электродов — проводящие полоски.

Пластинка закреплена и имеет собственную резонансную частоту механических колебаний.

При подаче напряжения на электроды благодаря пьезоэлектрическому эффекту происходит изгибание, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кусок кристалла.

Однако колеблющаяся пластинка в результате того же пьезоэлектрического эффекта создаёт во внешней цепи противо-ЭДС, что можно рассматривать как явление, эквивалентное работе катушки индуктивности в колебательном контуре.

Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это тоже соответствует поведению колебательного контура.

Условное обозначение кварцевого резонатора (сверху) и его эквивалентная схема (снизу)

Эквивалентная схема

C₀ — собственная ёмкость кристалла, образуемая кристаллодержателем и/или обкладками резонатора;

C₁, L₁ — эквивалентные ёмкость и индуктивность механической колебательной системы резонатора;

R₁ — эквивалентное сопротивление потерь механической колебательной системы.

История

Кварцевый резонатор в герметичном стеклянном корпусе пальчикового бесцокольного исполнения

Резонатор на 4 МГц в миниатюрном металлическом герметизированном корпусе HC-49/US

Металлические корпуса разнообразных размеров

Пьезоэлектрический эффект был впервые открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Поль Ланжевен впервые использовал этот эффект в часовом резонаторе гидролокатора перед первой мировой войной. Первый кристальный резонатор, работающий на сегнетовой соли, был изготовлен в 1917 году и запатентован в 1918 году Александром М. Николсоном (Alexander M. Nicholson) из компании Bell Telephone Laboratories, хотя это оспаривалось Уолтером Гайтоном Кэди (Walter Guyton Cady), который изготовил кварцевый резонатор в 1921 году. Некоторые улучшения в кварцевые резонаторы вводились позже Льюисом Эссеном и Джорджем Вашингтоном Пирсом (George Washington Pierce).

Первые стабильные по частоте кварцевые резонаторы были разработаны в 1920—1930-х годах. Начиная с 1926 года, кварцевые резонаторы на радиостанциях использовались в качестве элементов, задающих несущую частоту. В то же время резко возросло количество компаний, начавших выпускать кварцевые резонаторы; только до 1939 года в США было выпущено более чем 100 тыс. штук.

Применение

Одним из самых популярных видов резонаторов являются резонаторы, применяемые в часовых схемах. Резонансная частота часовых резонаторов составляет 32 768 Гц; будучи поделённой на 15-разрядном двоичном счётчике, она даёт интервал времени в 1 секунду.

Применяются в генераторах с фиксированной частотой, где необходима высокая стабильность частоты. В частности, в опорных генераторах синтезаторов частот и в трансиверных радиостанциях для формирования DSB-сигнала на промежуточной частоте и детектирования SSB или телеграфного сигнала.

Также применяются в кварцевых полосовых фильтрах промежуточной частоты супергетеродинных приёмников. Такие фильтры могут выполняться по лестничной или дифференциальной схеме и отличаются очень высокой добротностью и стабильностью по сравнению с LC-фильтрами.

По типу корпуса кварцевые резонаторы могут быть выводные для объёмного монтажа (стандартные и цилиндрические) и для поверхностного монтажа (SMD).

Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры, как допуск по частоте (отклонение частоты), стабильность частоты, нагрузочная ёмкость, старение.

Преимущества

• Достижение намного бо́льших значений добротности (10⁴—10⁶) эквивалентного колебательного контура, нежели любым другим способом.
• Малые размеры устройства (вплоть до долей миллиметра).
• Высокая температурная стабильность.
• Большая долговечность.
• Лучшая технологичность.
• Построение качественных каскадных фильтров без необходимости их ручной настройки.

Недостатки

• Чрезвычайно узкий диапазон подстройки частоты внешними элементами. На практике для многодиапазонных систем эта проблема решается построением синтезаторов частот различной степени сложности.

См. также

• Кварцевый генератор
• Кварцевый фильтр
• Генератор Пирса
• Генератор тактовых импульсов
• Резонистор
• Атомные часы
• Пьезокерамический излучатель

Ссылки

• Кварцевый генератор — статья из Большой советской энциклопедии. 

Литература

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

• Альтшуллер Г. Б. Кварцевая стабилизация частоты. — М.: «Связь», 1974. — 272 с. — 5600 экз.

• Андросова В. Г., Банков В. Н., Дикиджи А. Н. и др. Справочник по кварцевым резонаторам / Под ред. П. Г. Позднякова. — Связь, 1978. — 288 с. — 15 000 экз.

• Глюкман Л. И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1981. — 232 с. — 10 000 экз.

• Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объёмных и поверхностных акустических волнах: Материалы, технология, конструкция, применение: Пер. с чешск. — М.: Мир, 1990. — 584 с. — 4050 экз. — ISBN 5-03-001086-6.

• Ладик А. И., Сташкевич А. И. Изделия электронной техники. Пьезоэлектрические и электромеханические приборы: Справочник. — М.: Радио и связь, 1993. — 104 с. — 3000 экз. — ISBN 5-256-01145-6, ISBN 5-256-00588-X.