Кварцевый генератор когда изобрели

Кварцевый генератор

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

Характеристики

Частота

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 (10 4 ÷ 10 5 ).

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

Примечания

↑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.

Электронные компоненты

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Кварцевый генератор» в других словарях:

КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР — автогенератор эл. магн. колебаний с колебат. системой, в состав к рой входит кварцевый резонатор. Предназначен для получения колебаний с высокой стабильностью частоты. Принцип построения электрич. схемы К. г. и его действия такие же, как и у… … Физическая энциклопедия

кварцевый генератор — Генератор переменного напряжения, стабилизирующим элементом частоты которого является кварцевый резонатор или пьезоэлемент. [ГОСТ 22866 77] Тематики кварцевые генераторы EN crystal oscillator … Справочник технического переводчика

Кварцевый генератор — маломощный генератор электрических колебаний высокой частоты, в котором роль резонансного контура играет кварцевый резонатор пластинка, кольцо или брусок, вырезанные определённым образом из кристалла кварца. При деформации кварцевой… … Большая советская энциклопедия

кварцевый генератор — маломощный генератор электрических колебаний высокой частоты, в котором колебательной системой служит кварцевый пьезоэлектрический резонатор или пьезоэлемент. Это пластинка, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца. При деформации… … Энциклопедия техники

кварцевый генератор — kvarcinis generatorius statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. crystal oscillator; crystal controlled oscillator; quartz oscillator vok. Quarzgenerator, m; Quarzoszillator, m rus. кварцевый генератор, m pranc. oscillateur à cristal, m;… … Automatikos terminų žodynas

кварцевый генератор — kvarcinis generatorius statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Generatorius, kuriantis elektrinius virpesius, kurių dažnis stabilizuojamas kvarciniu rezonatoriumi. atitikmenys: angl. quartz generator; quartz oscillator vok.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

кварцевый генератор — kvarcinis generatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. crystal oscillator; quartz oscillator vok. Quarzoszillator, m rus. кварцевый генератор, m pranc. oscillateur à cristal, m; oscillateur à quartz, m … Fizikos terminų žodynas

кварцевый генератор, управляемый напряжением — кварцевый ГУН Высокостабильный подстраиваемый генератор, в котором в качестве частотозадающего элемента использован кварцевый резонатор. [Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Англо русский толковый словарь справочник. Под редакцией Ю.М … Справочник технического переводчика

кварцевый генератор синхронизации — kvarcinis sinchronizavimo generatorius statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. crystal timing oscillator vok. kristallgesteuerter Synchronisationsoszillator, m rus. кварцевый генератор синхронизации, m pranc. oscillateur de… … Radioelektronikos terminų žodynas

дискретный кварцевый генератор — Кварцевый генератор, кварцевый резонатор и другие элементы которого представляют собой дискретные элементы, имеющие гальванические связи. [ГОСТ 22866 77] Тематики кварцевые генераторы EN crystal oscillator with discrete elements … Справочник технического переводчика

Время перемен: кварцевые генераторы уступают дорогу МЭМС

Вебинар «Решения MORNSUN для промышленных применений: от микросхем до ИП на DIN-рейку» (02.11.2022)

В статье описывается эволюция технологии МЭМС в области устройств синхронизации. До недавнего времени в ней доминировали кварцевые генераторы. Электростатические и пьезоэлектрические МЭМС сегодня составляют им серьезную конкуренцию и могут вытеснить кварц во многих приложениях, благодаря улучшенному на всех частотах общему допуску, лучшему коэффициенту подавления пульсаций напряжения питания, меньшему джиттеру и высокой надежности.

Классический кварцевый генератор, использующий в качестве основного элемента кварцевый резонатор, прослужил в электронной промышленности почти 100 лет. Но этот рынок готов рухнуть, и кварцу бросают вызов альтернативные подходы, основанные на технологии резонаторов на базе МЭМС (микроэлектромеханических систем).

В отрасли МЭМС компонентов имеются две различные технологии, конкурирующие за право вытеснить кварц. Одна из них основана на электростатическом возбуждении, другая – на пьезоэлектрическом. Рассмотрение плюсов и минусов каждой технологии начнется с описания проблемы замены кварца.

Препятствия на пути МЭМС

Существенное преимущество МЭМС-технологии заключается в том, что она дает возможность выпускать миниатюрные компоненты крупными партиями и заменить сложный производственный процесс, используемый при изготовлении кварцевых генераторов. Поскольку конечный продукт выпускается на кремниевом кристалле, МЭМС-компоненты могут быть размещены в одном корпусе с сопутствующими микросхемами, давая существенный выигрыш в технологичности, размерах, совместимости, простоте использования и, конечно же, в совокупной стоимости системы. Кроме того, МЭМС более устойчивы к ударам, вибрации и электромагнитным помехам, чем кварц. И, наконец, их можно сконструировать свободными от провалов на температурной характеристике, а диапазон рабочих температур расширить за пределы –40 … +85 °C.

Однако кварцевые устройства синхронизации имеют долгую и успешную историю. Это зрелая и хорошо отработанная технология с ключевым преимуществом, которое еще должны завоевать МЭМС-компоненты: кварцевый материал очень стабилен в широком диапазоне температур. А это важный фактор для устройств, которые должны работать при типичных температурах от –40 до +85 °C. В МЭМС используется кремний, размягчающийся с повышением температуры, что приводит к изменению критического параметра – частоты, недопустимому во многих приложениях.

Допустимый уход частоты, конечно, зависит от продукта и рынка. Промышленные приборы и мобильные устройства связи предъявляют другие требования, чем, например, оборудование инфраструктуры связи. Для цепи синхронизации мобильного устройства может требоваться стабильность ±2.5 ppm при температуре от –30 до +85 °C, в то время как для менее требовательных приложений будет приемлем температурный дрейф от ±50 до ±100 ppm.

Помимо частотной стабильности, еще одним важным параметром для устройств синхронизации является джиттер (и тесно связанный с ним параметр «фазовый шум»). Джиттер – это, фактически, случайные отклонения выходного сигнала от номинальной частоты.

Для пользователей также немаловажно, насколько можно расширить «собственную» опорную частоту генератора, с тем, чтобы свести к минимуму количество шагов дополнительного масштабирования, необходимого для получения требуемой рабочей частоты. Чем больше они масштабируют исходную частоту, тем больше вносится шумов и страдает качество выходного сигнала. Добавление дополнительной цепи к генератору позволяет ему работать на гармониках (обертонах) основной частоты, но, в сравнении с обычным режимом, это также увеличивает джиттер.

Наконец, в мире, в котором так много продуктов с батарейным питанием, и на счету каждый милливатт, пользователи считают энергопотребление компонента жизненно важным фактором. Во многих конструкциях существуют ограничения на допустимую мощность и связанные с этим проблемы теплоотвода.

МЭМС в двух вариантах: электростатика против пьезоэлектричества


Рисунок 1.	Метод создания электростатических МЭМС-резонаторов основан на использовании электрического поля, взаимодействующего с подвижными элементами.

Существуют два различных подхода к проектированию устройств синхронизации на основе МЭМС: электростатический и пьезоэлектрический. В первом подвижные кремниевые МЭМС-элементы взаимодействуют с окружающим их точно контролируемым электрическим полем. Такое электростатическое или емкостное воздействие приводит в движение части ядра МЭМС-резонатора (Рисунок 1). Второй подход предполагает использование в МЭМС-резонаторе пьезоэлектрических актюаторов, преобразующих механическое движение и нагрузку в электрический сигнал, и наоборот (Рисунок 2).


Рисунок 2.	Пьезоэлектрический подход основан на зависимости электрического напряжения от механического и имеет потенциал для создания качественных резонаторов.

Учитывая значительные преимущества МЭМС над кварцем, как мы можем оценить и сравнить два разных сложных подхода к достижению высокой стабильности, низкого шума и малого потребления тока, которые позволят вытеснить кварцевые генераторы?

Для решения первой проблемы, стоящей на пути вытеснения кварца, то есть высокой температурной стабильности частоты, разработчики электростатических МЭМС обычно дополняют схему генератора цифровым синтезатором, компенсирующем более 3000 ppm дрейфа в диапазоне от –40 до +85 °C. И хотя дрейф этим способом устраняется эффективно, он, к сожалению, приводит и к негативным последствиям, внося существенный дополнительный джиттер и фазовый шум, а также увеличивая потребление тока, что зачастую неприемлемо для высококачественных приложений.

Напротив, производители пьезоэлектрических МЭМС, такие как Sand 9, устраняют дрейф, используя комбинацию методик, которая дает меньший джиттер и фазовый шум по сравнению с компенсацией посредством синтезатора. Во-первых, пьезоэлектрический МЭМС-резонатор, представляющий собой монолитный элемент, с обеих сторон ламинируют слоем диоксида кремния (SiO₂), что делает элемент прочнее и на порядок уменьшает дрейф. Во-вторых, сопутствующая цепь генератора содержит аналоговый компенсирующий контур, который работает быстрее, чем цифровой синтезатор, а также добавляет намного меньше фазового шума и джиттера. Хорошо спроектированный МЭМС-генератор, например, выпускаемый компанией Sand 9, может иметь начальную точность, достигающую ±5 ppm, и превосходить кварцевые изделия по стабильности в температурном диапазоне от –40 до +85 °C (Рисунок 3).

Рисунок 3.

Нормированный частотный дрейф компенсированного устройства компании Sand 9 сопоставим с дрейфом кварцевого генератора во всем диапазоне рабочих температур.

Другим важным параметром является начальное смещение частоты относительно идеального «истинного» значения – неизбежный фактор производственного разброса. Решение, основанное на использовании синтезатора для компенсации дрейфа в электростатических МЭМС, также может быть адаптировано производителем устройств для калибровки начального смещения. Однако это приведет к дальнейшему увеличению джиттера и фазового шума, а также к росту потребляемого тока.

В противоположность этому, подход на основе пьезоэлектричества позволяет выбирать любой из трех вариантов коррекции начального сдвига частоты. Можно встроить синтезатор, или откалибровать МЭМС, – оба варианта применимы, в зависимости от требований приложения. Третий вариант заключается в том, чтобы оставить начальное смещение частоты таким, какое оно есть. Это работает, потому что существуют требующие точной синхронизации приложения, в цепи обработки сигнала которых уже имеются внешние или интегрированные в другую микросхему синтезаторы. Поскольку наивысшие параметры источника частоты являются основным приоритетом для многих разработок класса high-end, эти синтезаторы также могут корректировать начальное смещение частоты.

Для электростатической архитектуры характерна слабая связь между механическим и электрическим режимами, что приводит к неэффективному преобразованию энергии. Энергия, передаваемая электростатическим способом, примерно в сто раз меньше, чем при пьезоэлектрическом способе. В результате получается плохое отношение сигнал/шум и значительный джиттер и фазовый шум на выходе.

Чтобы компенсировать меньшее отношение сигнал/шум и улучшить характеристики, электростатическое устройство должно иметь больший размер или повышенное энергопотребление, или и то, и другое, поэтому законченное электростатическое устройство потребляет значительно больше тока, чем сопоставимое пьезоэлектрическое. Большой ток делает электростатическое устройство малопригодным для использования в приемопередатчиках сотовых сетей. К тому же, несмотря на значительное потребление тока, оно, все равно, не в состоянии обеспечить уровни джиттера и фазового шума, приемлемые для приложений, требующих точной синхронизации, например, для коммуникационного оборудования (Рисунок 4).

Рисунок 4.

Зависимости величины вектора ошибки от затухания для передатчиков LTE с МЭМС генератором компании Sand 9 и с кварцем демонстрируют сопоставимые характеристики, несмотря на различия в
размерах и стоимости.

Диапазон собственных частот является еще одной областью, где характеристики электростатических и пьезоэлектрических устройств сильно различаются. Доступные на сегодняшнем рынке типичные конструкции, основанные на электростатической технологии, достигают максимальной частоты порядка 48-50 МГц в режиме основной гармоники, в то время как пьезоэлектрические приборы, например, выпускаемые компанией Sand 9, могут работать на частотах 125 МГц и выше. Использование неосновных гармоник может расширить диапазон частот для электростатических устройств, но за это придется заплатить увеличением джиттера, фазового шума и отношения сигнал/шум.

В некоторых электростатических конструкциях диапазон собственных частот увеличивают путем уменьшения размеров основного элемента. Однако сокращение площади поверхности соответствующим образом ослабляет электромеханическую связь, что снижает энергоэффективность и увеличивает джиттер/фазовый шум. Заметим, что пьезоэлектрический резонатор, например, компании Sand 9, работая в паре с обычным генератором 1.8 В, может иметь фазовый шум –127 дБн/Гц (Рисунок 5).


Рисунок 5.	Резонатор Sand 9 при совместной работе с обычным генератором 1.8 В может удовлетворять требованиям приемопередатчиков сотовых сетей, оборудования GPS/GNSS и устройств беспроводной связи.

Заключение

МЭМС-генераторы являются качественной и инновационной альтернативой устройствам на основе кварца, традиционно использовавшимся в качестве источников синхронизации. Хотя оба подхода к реализации этих конструкций на МЭМС могут конкурировать с кварцем, они существенно различаются по своим возможностям и рыночному потенциалу.

Крупные достижения в области МЭМС-технологий в сочетании с преимуществами пьезоэлектрического подхода укрепляют позиции новых устройств в битве с кварцем. Генераторы на основе МЭМС могут обеспечить высокую стабильность, низкий уровень шумов, малое энергопотребление и более широкий исходный диапазон частот. Эти параметры являются критическими для многих приложений, требующих точной синхронизации. Кроме того, новые генераторы лишены многих недостатков кварцевых устройств.

Кварцевый генератор — Crystal oscillator

A кварцевый генератор представляет собой электронная схема генератора, которая использует механический резонанс вибрирующего кристалла из пьезоэлектрического материала для создания электрического сигнала с точной размером. Эта частота часто используется для установки времени, как в кварцевых наручных часах, для обеспечения стабильного тактового сигнала для цифровых интегральных схем, и для стабилизации частот для радиопередатчиков и приемников. Наиболее распространенным типом используемых пьезоэлектрических резонаторов является кварцевый кристалл , такие схемы генераторов, включающие, стали известны как кварцевые генераторы, но другие пьезоэлектрические материалы, включая поликристаллическую керамику, используются, используются, используются, используются в аналогичных схемах.

Кварцевый генератор, в частности, использующий кварцевый кристалл, работает, искаженная кристалл электрический полем, когда напряжение прикладывается к электроду рядом или на кристалле; свойство, известное как электрострикция или обратное пьезоэлектричество. Когда электрическое поле снимается, кварц, который колеблется с обычным полем, генерирует электрическое поле, возвращаясь к прежней форме, и это может генерировать напряжение. В результате кристалл кварца ведет себя как цепь RLC, но с большей высотой Q.

. Кристаллы кварца производятся для частот от нескольких десятков килогерц до сотен мегагерц. Ежегодно производится более двух миллиардов кристаллов. Большинство из них используются для потребительских устройств, таких как наручные часы, часы, радио, компьютеры и мобильные телефоны. Кристаллы кварца также находятся внутри испытательного и измерительного оборудования, такого как счетчики, генераторы сигналов и осциллографы.

Содержание

1 Терминология
2 История
3 Работа

4 Моделирование

4.1 Электрическая модель
4.2 Резонансные режимы
4.3 Температурные эффекты

5.1 Паразитные частоты

7.1 Кварц

7.1.1 Типы
7.1.2 Качество
7.1.3 Производство

8.1 Температура
8.2 Механическое напряжение

9.1 Механическое повреждение
9.2 Колебания частоты
9.3 Радиационное повреждение

Терминология

Кварцевый кварцевый резонатор (слева) и кварцевый генератор (справа)

Кварцевый генератор — это схема электронного генератора, в которой используется ap Иезоэлектрический резонатор, кристалл, как его частотно-определяющий элемент. Кристалл — это общий термин, используемый в электронике для определения частотного компонента, пластины из кристалла кварца или керамики с подключенными к ней электродами. Более точное название — пьезоэлектрический резонатор. Кристаллы также используются в других типах электронных устройств, таких как кварцевые фильтры.

Пьезоэлектрические резонаторы продаются как отдельные компоненты для использования в схемах кварцевых генераторов. Пример показан на картинке. Их также часто объединяют в один корпус со схемой кварцевого генератора, показанной справа.

История

кварцевые генераторы 100 кГц в Национальном бюро стандартов США, служили стандартом частоты для США в 1929 году Самые ранние кристаллы Bell Labs из коллекции Vectron International Collection

Пьезоэлектричество открыт Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Поль Ланжевен первым исследовал кварцевые резонаторы для использования в гидролокаторах во время Первой мировой войны. Первый генератор с кварцевым управлением, использующий кристалл соли Рошель, был построен в 1917 году и запатентован в 1918 году Александром М. Николсоном в Bell Telephone Laboratories, хотя его приоритет оспаривался Уолтером Гайтоном Кэди. Кэди построила первый кварцевый генератор в 1921 году. Среди других первых изобретателей кварцевых генераторов — Г. W. Pierce и Louis Essen.

Кварцевые кварцевые генераторы были разработаны для высокостабильных эталонных частот в течение 1920-х и 1930-х годов. До кристаллов радиостанции контролировали свою частоту с помощью настроенных схем, которые могли легко отклоняться от частот на 3–4 кГц. Обычной проблемой радиовещания станциям были присвоены частоты с интервалом всего 10 кГц помехи, обычной проблемой. В 1925 году Westinghouse установила кварцевый генератор на флагманской станции KDKA, а в 1926 году кварцевые кристаллы использовались для управления радиовещательными станциями и были популярны среди радиолюбителей. В 1928 году Уоррен Маррисон из Bell Telephone Laboratories разработал первые кварцево-кристаллические часы. Были разработаны с точностью до 1 секунды за 30 лет (30 мс / год или 0,95 нс / с) кварцевые часы заменили прецизионные маятниковые часы в качестве самых точных хронометров в до атомных часов в 1950-х годах. Используя раннюю работу Bell Labs, ATT в конце концов основала свое подразделение Frequency Control Products, позже выделившееся и известное сегодня как Vectron International.

В это время ряд фирм начали производить кристаллы кварца для электронного использования. Используя методы, которые сейчас считаются примитивными, в течение 1939 г. в своих Штатах было произведено около 100 000 кристаллов. Во время Второй мировой войны кристаллы изготавливались из природного кристаллаца, практически все из Бразилии. Нехватка кристаллов во время войны, вызванная точным контроле частоты и военных радиостанций и радаров стимулировала послевоенные исследования по выращиванию синтетического кварца, а к 1950 году гидротермальных процесс выращивания кристаллов кварца в промышленных масштабах улучшения в Bell Laboratories. К 1970-м годам практически все кристаллы, используемые в электронике, были синтетическими.

В 1968 году Юрген Штаудте изобрел фотолитографический процесс производства кварцевых генераторов, используемый в North American Aviation (ныне Rockwell ), который позволил их можно сделать достаточно маленькими для портативных изделий, таких как часы.

Хотя в кварцевых генераторах по-прежнему чаще всего используются кристаллы кварца, все чаще используются устройства, используемые материалы, такие как керамические резонаторы.

Режимы колебаний кристалла

Операция

A кристалл — это твердое тело, в котором упаковываются составляющие атомы, молекулы или ионы в регулярно упорядоченном, повторяющемся узоре, распространяющемся во всех трех пространственных измеренийх.

Практически любой объект, сделанный из эластичного материала, может быть использован как кристалл с поставщиком преобразователями, поскольку все объекты имеют естественные резонансные частоты вибрации. Например, сталь очень эластична и имеет высокую скорость звука. Он часто использовался в механических фильтрах до кварца. Резонансная частота зависит от размера, формы, эластичности и скорости звука в материале. Высокочастотные кристаллы обычно имеют форму простого прямоугольника или круглого диска. Низкочастотные кристаллы, такие как те, используются в цифровых часах, обычно имеют форму камертона. Для приложений, не требующихся очень точной синхронизации, недорогой керамический резонатор часто используется вместо кристалла кварца.

Когда кристалл кварца правильно вырезан и установлен, его можно преобразовать в электрическом поле, подавая напряжение на электрод рядом или на кристалле. Это свойство известно как электрострикция или обратное пьезоэлектричество. Когда поле снимается, кварц генерирует электрическое поле, возвращаясь к своей прежней форме, и это может генерировать напряжение. В результате кристалл кварца ведет себя как цепь RLC, состоящая из катушки индуктивности, конденсатора и резистора, с точным резонансным частотом.

Кварц имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что его упругие постоянные и размер изменяются таким образом, что частотная зависимость от температуры может быть очень низкой. Конкретные характеристики зависят от режима вибрации и угла, под которым кварц разрезается (относительно его кристаллографических осей). Поэтому резонансная частота пластины, которая зависит от ее размера, не сильно меняется. Это означает, что кварцевые часы, фильтр или генератор остаются точными. Для критических применений кварцевый генератор устанавливается в контейнере с регулируемой температурой, называемым кристаллической системой, а также может быть установлен на амортизаторах для предотвращения возмущений от внешних механических колебаний.

Моделирование

Электрическая модель

Кристалл кварца можно моделировать как электрическую сеть с низким — импедансом (последовательно) и высоким — импеданс (параллельные) точки резонанса расположены близко друг к другу. Математически (с использованием преобразования Лапласа ) импеданс этой сети можно записать как:

Схематический символ и эквивалентная схема для кварцевого кристалла в генераторе Z (s) = (1 с ⋅ С 1 + s ⋅ L 1 + R 1) ‖ (1 s ⋅ C 0), <\ Displaystyle Z (s) = \ left (<<\ frac <1>~~>> + s \ cdot L_ <1 >+ R_ <1>> \ right) \ left \ | \ left ( <\ frac <1>~~>> \ right) \ right.,>~~~~

Z (s) = s 2 + s R 1 L 1 + ω s 2 (s ⋅ C 0) [s 2 + s R 1 L 1 + ω p 2] ⇒ ω s = 1 L 1 ⋅ C 1, ω п знак равно C 1 + C 0 L 1 ⋅ C 1 ⋅ C 0 знак равно ω s 1 + C 1 C 0 ≈ ω s (1 + C 1 2 C 0) (C 0 ≫ C 1) <\ displaystyle <\ begin Z (s) = <\ frac ~~+ s <\ frac > >> + <\ omega _ <\ mathrm ~~>> ^ <2>> <\ left (s \ cdot C_ <0>\ вправо) \ left [s ^ <2>+ s <\ frac > >> + <\ omega _ <\ mathrm~~~~
~~>> ^ <2>\ right]>> \\ [2pt] \ Rightarrow \ omega _ <\ mathrm ~~> = <\ frac <1> <\ sqrt \ cdot C_ <1>>>>, \ quad \ omega _ <\ mathrm~~~~
> = <\ sqrt <\ frac + C_ <0>> \ cdot C_ <1>\ cdot C_ <0>>>> = \ omega _ ~~<\ sqrt <1 + <\ frac > >>>> \ a pprox \ omega _ ~~\ left (1 + <\ frac > <2C_ < 0>>> \ right) \ quad \ left (C_ <0>\ gg C_ <1>\ right) \ конец <выровнен>>~~~~

где s <\ displaystyle s>— комплексная частота ( s = j ω <\ displaystyle s = j \ omega>), ω s <\ displaystyle \ omega _ <\ mathrm ~~>> — последовательная резонансная угловая частота, и ω p <\ displaystyle \ omega _ <\ mathrm~~
~~>> — параллельная резонансная угловая частота.~~

Добавление емкости через кристалл приводит к уменьшению (параллельной) резонансной частоты. Добавление индуктивности к кристаллу приводит к увеличению (параллельной) резонансной частоты. Эти эффекты можно использовать для регулировки частоты колебаний кристалла. Производители кристаллов обычно режут ирезают свои кристаллы, чтобы получить определенную резонансную частоту с известной «нагрузочной» емкостью, добавленной к кристаллу. Например, кристалл, предназначенный для нагрузки 6 пФ, имеет заданную параллельную резонансную частоту, когда через него помещается конденсатор 6,0 пФ . Без нагрузки нагрузки резонансная частота выше.

Режимы резонанса

Кристалл кварца последовательный, так и параллельный резонанс. Последовательный резонанс на несколько килогерц ниже параллельного. Кристаллы с настройкой ниже 30 МГц обычно работают между последовательным параллельным резонансами, что означает, что кристалл проявляет себя как индуктивное реактивное сопротивление при работе, эта индуктивность образует параллельный резонансный контур с подключенной извне параллельной емкостью. Любая небольшая дополнительная способность, подключенная кристаллу, снижает частоту. Более того, индуктивное сопротивление кристалла можно уменьшить, добавиватор с кристаллом. Этот последний метод может обеспечить полезный метод подстройки колебаний в узком диапазоне; в этом случае включения конденсатора последовательного с кристаллом роста частоту колебаний. Чтобы кристалл работал на большую частоту, электронная схема должна быть точно такой, как указано изготовителем кристалла. Обратите внимание, что эти подразумевают тонкость, касающуюся кварцевых генераторов в этом диапазоне частот: кристалл обычно не колеблется ни на одной из своих резонансных частот.

Кристаллы с включением выше 30 МГц (до>200 МГц) работают при последовательном резонансе, когда полное сопротивление оказывается минимальным и равным последовательным сопротивлением обычно. Для этих кристаллов указано последовательное сопротивление ( f = f 0 [1 — 0,04 ppm / C 2 ⋅ (T — T 0) 2]. <\ displaystyle f = f_ <0>\ left [1-0.04

В реальном времени, построенном с использованием обычного камертона 32 кГц, хорошо показывают при комнатной температуре, но теряют 2 минуты в год при температуре выше 10 ° C ниже комнатной температуры и теряет 8 минут в год при 20 ° C выше или ниже комнатной температуры из-за кристалла кварца.

Схемы кварцевого генератора

Кристалл, использование в хобби радиоуправлении оборудование для выбора частоты. Внутри современного модуля кварцевого кварцевого генератора в корпусе DIP. Он включает в себя керамическое основание для печатной платы, генератор, микросхем делителя (/ 8), байпасный конденсатор и кристалл с разрезом AT.

Схема кварцевого генератора поддерживает колебания, двойной сигнал напряжения от кварцевого , усиливая его и подавая обратно к резонатору. Скорость расширения и сжатия кварца — это резонансная частота , которая определяет огранкой и размером кристалла. Когда энергия генерируемых выходных частот совпадает с потерями в цепи, колебания могут поддерживаться.

Кристалл генератора из двух электропроводящих пластин, между зажатым кусок или камертон из кристалла кварца. Во время запуска схема управления помещает кристалл в нестабильное равновесие, и из-за положительной обратной связи в системе любой крошечной доли шум усиливается, нарастая колебания. Кристаллический резонатор также можно рассматривать как высокочастотно-избирательный фильтр в этой системе: он пропускает только очень узкую поддиапазон частот вокруг резонансной, ослабляя все остальное. В конце концов, активна только резонансная частота. Когда генератор усиливает сигналы, выходящие из кристалла, сигналы в полосе частот кристалла становятся сильнее, в конечном итоге доминируя на выходе генератора. Узкая резонансная полоса кристалла кварца отфильтровывает все нежелательные частоты.

Выходная частота кварцевого генератора может быть либо кратной основной резонанса, либо кратной этой резонансу, называемой частотой гармоники. Гармоники — это точное целое число, кратное первое число. Как и многие другие механические резонаторы, кристаллы демонстрируют несколько режимов колебаний, обычно с примерно нечетными целыми кратными частотами. Они называются «обертонными модами», и схемы генератора могут быть разработаны для их возбуждения. Обертонные моды на частотах, которые являются приблизительными, но не точными нечетными целыми кратными частотами основной моды, и поэтому частоты обертона не являются точными гармониками основной моды.

Высокочастотные кристаллы часто предназначены для работы на третьем, пятом или седьмом обертоне. Производители сталкиваются с трудностями при производстве кристаллов, достаточно тонких для обработки частот выше 30 МГц. Для получения более высоких частот производители демонстрируют кристаллы обертона, настроенные так, чтобы 3-й, 5-й или 7-й обертон были настроены на желаемую частоту, поэтому они легче изготовить и, следовательно, их легче изготовить, чем кристалл, будет воспроизводить ту же частоту, хотя и возбуждает желаемый обертон. частота требует немного более сложной схемы генератора. Схема кварцевого генератора на основной частоте и проще эффективнее, а также имеет большую тяговую способность, чем схема третьего обертона. В зависимости от производителя, максимальная доступная основная частота может составлять от 25 МГц до 66 МГц.

Внутреннее устройство кварцевого кристалла.

Основная причина широкого использования кварцевых генераторов — их высокая добротность. Типичное значение добротности кварцевого генератора колеблется от 10 до 10, по сравнению, возможно, 10 для генератора LC. Максимальную добротность кварцевого генератора с высокой стабильностью можно оценить как Q = 1,6 × 10 / f, где f — резонансная частота в мегагерцах.

Одной из наиболее важных характеристик кварцевых генераторов является то, что они демонстрируют очень низкий уровень фазового шума. Во многих осцилляторах любая спектральная энергия на резонансной частоте усиливается осциллятором, что приводит к сбору тонов на разных фазах. В кварцевом генераторе кристалл в основном колеблется по одной оси, поэтому преобладает одна фаза. Это свойство низкого фазового шума делает их особенно полезными в телекоммуникационных системах, где необходимы стабильные сигналы, и в научном оборудовании, где требуются очень точные устройства времени.

Изменения температуры, окружающей среды, давления и вибрации в окружающей среде могут изменить резонансную частоту кристалла кварца, но есть несколько конструкций, которые уменьшают это воздействие на окружающую среду. К ним относятся TCXO, MCXO и OCXO, которые устойчивы ниже. Эти конструкции, особенно OCXO, часто производят устройства с превосходной кратковременной стабильностью. Ограничения кратковременной стабильности в основном связаны с шумом электронных компонентов в схемах генератора. Долговременная стабильность ограничивается старением кристалла.

Из-за старения и факторов окружающей среды трудно даже лучшие кварцевые генераторы в пределах одной десятой от их номинальной частоты без постоянной регулировки. По причине атомные генераторы используются для приложений, требующиеся лучшей долговременной стабильности и точности.

Паразитные частоты

Кристалл 25 МГц, демонстрирующий паразитный отклик

Для кристаллов, работающих в последовательном резонансе температуры или выведенных из основного режима за счет включения последовательной катушки, индуктивности или конденсатора, важно (и зависит от) возникать ложные ответы. Хотя большинство паразитных мод обычно на несколько десятков килогерц выше желаемого последовательного резонанса, их температурный коэффициент отличается от основного режима, и паразитный отклик может проходить через основной режим при определенных температурах. Даже если последовательное сопротивление на паразитных резонансах оказывается выше, чем сопротивление на желаемую последовательность, последовательное изменение последовательного сопротивления может происходить при температуре, когда две совпадающие совпадения совпадают. Следующим образом этими спадовами происходит то, что генератор может блокироваться на паразитной частоте при температуре. Это обычно сводится к минимуму, гарантирую, поддерживающая схема имеет недостаточное усиление для режима.

Паразитные частоты также возникают при вибрации кристалла. Это в небольшой степени модулирует резонансную частоту на частоту колебаний. Кристаллы SC-среза предназначены для минимизации частотного эффекта монтажного напряжения и, следовательно, менее чувствительны к вибрации. Эффекты ускорения, включая гравитацию, также уменьшаются с помощью кристаллов SC-среза, как и изменяются частоты со временем из-за длительного изменения монтажного напряжения. У кристаллов режима сдвига SC-среза есть недостатки, такие как необходимость в поддерживающем генераторе для одновременного использования других задействующих режимов и повышенное изменение частоты из-за температуры при воздействии на полный диапазон окружающей среды. Кристаллы SC-среза наиболее выгодны там, где возможен контроль температуры при их температуре с нулевым температурным коэффициентом (оборотом).

Обычно используемые частоты кристаллов

Кристаллы могут быть изготовлены для генерации в широком диапазоне частот, от нескольких килогерц до нескольких сотен мегагерц. Многие приложения требуют, чтобы частота кварцевого генератора была удобна с каким-либо другим желаемым типом, поэтому стандартные стандартные кварцевых частот производятся в больших количествах и хранятся у дистрибьюторов электроники. Например, кристаллы 3,579545 МГц, которые производятся в больших количествах для NTSC цветных телевизионных приемников, также популярны для многих нетелевизионных приложений. Использование делителей частоты, умножители частоты и фазовой автоподстройки частоты схемы, это практично, чтобы получить широкий диапазон частот от одной опорной частоты.

Кристаллические структуры и материалы

Кварц

Обычные упаковки для изделий из кристаллов кварца Кластер кристаллов природного кварца Синтетический кристалл кварца, выращенный с помощью гидротермального синтеза длиной около 19 см и весом около 127 г Кристалл камертона, используемый в современных кварцевых часах Простой кристалл кварца Внутренняя конструкция современного высокопроизводительного корпуса HC-49 кристалл кварца кристаллы изгиба и сдвига по толщине

Наиболее распространенным инструментом для кристаллов генератора кварц. В начале технологии используются кристаллы природного кварца, но теперь преобладает синтетический кристаллический кварц, выращенный с помощью гидротермального синтеза из-за более высокой чистоты, более низкой стоимости и более удобного обращения. Одно из немногих оставшихся применений природных кристаллов — это датчики давления в глубоких скважинах. Во время Второй мировой войны и некоторое время после этого природный кварц считался в США стратегическим материалом. Крупные кристаллы были импортированы из Бразилии. Сырой «ласкас», исходный кварц для гидротермального синтеза, импортируется в США или добывается на местном уровне компании Coleman Quartz. Средняя стоимость выращивания синтетического кварца в 1994 г. составляла 60 USD / кг.

Существуют два типа кристаллов кварца: левосторонние и правосторонние.. Они различаются по оптическому вращению, но идентичны по другим физическим свойствам. Как левый, так и правый кристаллы можно использовать для генераторов, если угол среза правильный. В производстве обычно используется правый кварц. Тетраэдры SiO 4 образуют параллельные спирали; закручивания спирали укажите левую или правую ориентацию. Спирали выровнены по оси z и объединены, разделяя атомы. Масса спиралей образует из малых и больших каналов, параллельных оси z. Чтобы обеспечить некоторую подвижность более мелких средних и молекул через кристалл.

Кварц существует в нескольких фазах. При 573 ° C при 1 атмосфере (и при более высоких температурах и более высоких давлениях) α-кварц претерпевает кварцевую инверсию, обратимо превращаясь в β-кварц. Однако обратный процесс не является полностью однородным, и происходит двойникование кристаллов. Во время производства и обработки необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать фазового превращения. Другие фазы, например более высокотемпературные фазы тридимита и кристобалита не имеют значения для осцилляторов. Все кристаллы кварцевого генератора к типу α-кварца.

Качество

Инфракрасная спектрофотометрия используется как один из методов измерения качества выращенных кристаллов. Обычно используются волновые числа 3585, 3500 и 3410 см. Измеренное значение основано на полосах поглощения радикала OH и рассчитано значение Q в инфракрасном диапазоне. Кристаллы электронного качества, класс C, добротность 1,8 миллиона или имеют выше; кристаллы премиального класса B имеют Q = 2,2 миллиона, а имеют кристаллы специального премиального класса A Q = 3,0 миллиона. Значение Q рассчитывается только для области z; кристаллы, другие области, могут быть повреждены. Другой показатель качества — плотность каналов травления; когда кристалл травлен, вдоль линейных дефектов образуются трубчатые каналы. Для обработки с травлением, например кристаллы камертона наручных часов, желательна низкая плотность травления. Плотность каналов травления для развернутого кварца составляет порядка 10–100, а для неочищенного кварца значительно больше. Наличие каналов травления и ямок травления снижает добротность резонатора и вносит нелинейности.

Производство

Кристаллы кварца можно выращивать для определенных целей.

Кристаллы для AT-cut самые распространенные в массовом производстве материалов для генераторов; форма и размеры оптимизированы для обеспечения высокого выхода требуемых пластин . Кристаллы кварца высокой чистоты выращивают с высоким содержанием алюминия, щелочного и других примесей и минимальными дефектами; малое количество щелочных металлов обеспечивает повышенную стойкость к ионизирующему излучению. Кристаллы для наручных часов, для резки кристаллов камертона 32768 Гц, выращены с очень низкой плотностью каналов травления.

Кристаллы для устройств SAW выращиваются как плоские, с большой затравкой X-размера с низкой плотностью каналов травления.

Специальные кристаллы с высокой скоростью для использования в высокостабильных генераторах выращиваются с низкой скоростью и имеют постоянное низкое поглощение инфракрасного излучения по всей оси Z. Кристаллы можно выращивать в виде Y-стержня, с затравочным кристаллом в форме стержня и вытянутым вдоль Y, или как Z-пластину, выращенную из затравки пластины длиной в направлении оси Y и осью X шириной. Область вокруг затравочного кристалла содержит большое количество кристаллических дефектов и не новелла для пластин

Кристаллы растут анизотропно ; рост по оси Z до 3 раз быстрее, чем по оси X. Направление и скорость роста имеет значение на скорость роста примесей. Кристаллы с Y-образной полосой или кристаллы с Z-образной пластиной с длинной осью Y области роста, обычно называемые + X, -X, Z и S. Распределение примесей во время роста неравномерное; разные зоны роста разные уровни загрязнения веществ. Области Z являются наиболее чистыми, небольшие, иногда присутствующие области S менее чистая, область + X еще менее чистая, а область -X имеет высокий уровень примесей. Примеси отрицательно влияет на радиационную стойкость, подверженность двойникованию, потери на фильтре, а также на долгосрочную и краткосрочную стабильность кристаллов. Семена с разным срезом в разной ориентации. Скорость -X низкая из-за эффекта адсорбции воды на поверхности кристалла; примеси алюминия подавляют рост в двух других направлениях. Содержание алюминия самое низкое в Z-области, больше — в + X, еще больше — в -X и самое высокое — в S; размер S-размер увеличивается также с объемного современного человека. Содержание водорода в области Z, выше в области + X, еще выше в области S и самое высокое в области -X. Включения алюминия превращаются в центры окраски под гамма-излучения, вызывая потемнение кристалла пропорционально и уровень примесей; наличие области с разной темнотой указывает на разные области роста.

Основным типом дефекта , вызывающим озабоченность в кристаллах кварца, является замещение атома Si (IV) на Al (III). в кристаллической решетке . Ион алюминия имеет связанный с ним компенсатор межузельного заряда, присутствующий поблизости может быть ион H (присоединенный к соседнему кислороду и образ гидроксильную группу, называемую дефектом Al-OH), ион Li, ион Na, ион K (реже) или электронная дырка, захваченная на ближайшей орбитали атома кислорода. Состав ростового соединения независимо от того, основан ли он на щелочных соединениях или натрия, определяет ионы, компенсирующие заряд дефектов алюминия. Ионные примеси мигают через кристалл, изменяя локальную упругость решетки и резонансную частоту кристалла. Другие распространенные примеси, вызывающие беспокойство, например, железо (III) (интерстициальный), фтор, бор (III), фосфор (V) (замещение), титан (IV) (замещение, повсеместно присутствует в магматическом кварце, реже в гидротермальном кварце) и германий (IV) (замещение). Ионы натрия и железа могут вызывать включение акнита и кристаллы. Включения воды присутствовать в быстрорастущих кристаллах; вблизи затравки кристалла в большом количестве присутствуют межузельные молекулы воды. Еще один важный дефект — это водородсодержащий дефект роста, когда структуры Si-O-Si образует пара групп Si-OH, HO-Si; по существу гидролизованная связь. Быстрорастущие кристаллы содержат больше водородных дефектов, чем медленно растущие. Эти дефекты роста растений организма для радиационно-индуцированных процессов и образуют дефекты Al-OH. Примеси германия стремятся улавливать электроны, образовавшиеся во время облучения; катионы щелочного отрицательного металла мигрируют к заряженному центру и образуют стабилизирующий комплекс. Также могут присутствовать дефекты матрицы; кислородные вакансии, кремниевые вакансии (обычно компенсируемые 4 атомами водорода или 3 атомами водорода и дыркой), пероксигруппы и т. д. Некоторые из дефектов локализованные уровни в запрещенной зоне, служащие ловушками заряда; Al (III) и B (III) обычно служат ловушками для дырок, а электронные вакансии, атомы титана, германия и фосфора служат ловушками для электронов. Захваченные носители заряда могут быть освобождены путем нагревания; их рекомбинация является причиной термолюминесценции.

Подвижность межузельных ионов сильно зависит от температуры. Ионы водорода подвижны до 10 К, но ионы щелочных металлов становятся подвижными только при температурах около и выше 200 К. Дефекты гидроксила могут быть измерены с помощью спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне. Захваченные дырки можно измерить с помощью электронного спинового резонанса. Дефекты Al-Na проявляются в виде пика акустических потерь из-за их движения под действием напряжения; дефекты Al-Li не образуют потенциальной ямы, поэтому не обнаруживаются таким образом. Некоторые из радиационно-индуцированных дефектов при их термическом отжиге вызывают термолюминесценцию ; можно выделить дефекты, относящиеся к алюминию, титану и германию.

Сглаженные кристаллы — это кристаллы, прошедшие процесс очистки электродиффузией в твердом состоянии. Подметание включает нагрев кристалла до температуры выше 500 ° C в безводородной атмосфере с градиентом напряжения не менее 1 кВ / см в течение нескольких часов (обычно более 12). Миграция примесей и постепенное замещение ионов щелочных металлов водородом (при перемещении в воздух) или электронными дырками (при перемещении в вакууме) вызывает слабый электрический ток через кристалл; спад этого тока до постоянного значения сигнализирует об окончании процесса. Затем кристаллу дают остыть, пока сохраняется электрическое поле. Примеси концентрируются в катодной области кристалла, которую затем отсекают и выбрасывают. Стреловидные кристаллы обладают повышенной устойчивостью к радиации, так как дозовые эффекты зависят от уровня примесей щелочных металлов; они подходят для использования в устройствах, подвергающихся воздействию ионизирующего излучения, например для ядерной и космической техники. Подметание в вакууме при более высоких температурах и более высокой напряженности поля дает еще более стойкие к радиации кристаллы. Уровень и характер примеси можно измерить с помощью инфракрасной спектроскопии. Кварц может перемещаться как в фазе α, так и в фазе β; развернуть в β-фазе происходит быстрее, но фазовый переход может вызвать двойникование. Двойникование можно преобразовать, подвергнув кристалл сжимающему напряжению в направлении X или электрическому полюсу или постоянного тока вдоль оси X, пока кристалл охлаждается в температурной фазового сигнала.

Для достижения кристалл примесь одного вида. Кристаллы лития, натрия и водорода используются, например, для изучения поведения кварца.

Очень маленькие кристаллы для высоких частот основной моды могут быть изготовлены с помощью фотолитографии.

Кристаллы можно настроить на точные частоты с помощью лазерной обрезки. Техника, используемая в мире любительского радио для небольшого уменьшения частоты кристалла, может быть достигнуто воздействие на кристаллы с серебряными электродами паров йода, что вызывает небольшое увеличение массы на кристалле. поверхность за счет образования тонкого слоя йодида серебра ; однако такие кристаллы имели проблематичную долговременную стабильность. Другим обычно используемым методом является электрохимическое увеличение или уменьшение толщины серебряного электрода путем погружения резонатора в лазурит, растворенный в воде, лимонной кислоте в воде или воде с солью, и использование резонатора в качестве одного электрода и маленький серебряный электрод как другой.

Выбирая направление тока, можно увеличивать или уменьшать массу электродов. Подробности опубликованы в журнале «Радио» (3/1978) на сайте UB5LEV.

Не рекомендуется повышать частоту, царапая части электродов, поскольку это может повредить кристалл и снизить его добротность. Подстроечные резисторы также можно использовать для регулировки частоты контура генератора.

Другие материалы

Можно использовать некоторые другие пьезоэлектрические материалы, кроме кварца. К ним относятся монокристаллы из танталата лития, ниобата лития, бората лития, берлинита, арсенида галлия, тетрабората лития, фосфат алюминия, оксид висмута-германия, поликристаллическая керамика, высокоглиноземистая керамика, кремний — композит на основе оксида цинка или тартрат дикалия. Некоторые материалы могут быть более подходящими для конкретных приложений. Кристалл генератора также может быть изготовлен путем нанесения материала резонатора на поверхность кремниевого кристалла. Кристаллы фосфата галлия, лангасита и примерно в 10 раз более тянущиеся, чем соответствующие кристаллы кварца, и используются в некоторых генераторах VCXO.

Стабильность

Стабильность частоты определяется параметром Q кристалла. Он обратно зависит от частоты и от константы, зависит от конкретной среза. Другими факторами, влияющими на Q, используются используемые обертон, температура, уровень возбуждения кристалла, качество отделки поверхности, механические нагрузки, налагаемые на кристалл при соединении и установке, геометрия кристалла и прикрепленных электродов, чистота материала и дефекты кристалла, тип и давление газа в камере, мешающие моды, наличие и поглощенная доза ионизирующего и нейтронного излучения.

Температура

Температура влияет на рабочую частоту; Используются различные формы компенсации, от аналоговой компенсации (TCXO) и компенсации микроконтроллера (MCXO) до стабилизации температуры с помощью кристалловой печи (OCXO). Кристаллы показывают температурным гистерезисом ; частота при данной температуре, достигаемая за счет повышения температуры, не соответствует при данной температуре, достигаемой за счет снижения температуры. Температурная чувствительность зависит в первую очередь от разреза; резы с температурной компенсацией выбраны так, чтобы минимизировать частотно-температурную зависимость. Возможны специальные разрезы с линейными температурными характеристиками; срез LC используется в кварцевых термометрах. Другими влияющими факторами являются использованные обертон, монтаж и электроды, примеси в кристалле, механическая деформация, геометрия кристалла, скорость изменения температуры, термическая предыстория (из-за гистерезиса), ионизирующее излучение и уровень возбуждения.

Кристаллы, как правило, имеют аномалии в характеристиках частоты / температуры и сопротивления / температуры, известные как провалы активности. Это небольшие колебания сопротивления в сторону уменьшения или увеличения, локализованные при определенных температурах, причем их температурное положение зависит от величины конденсаторов нагрузки.

Механическое напряжение

Механические напряжения также на частоту. Напряжения могут быть вызваны установкой, соединением и наложением электродов, дифференциальным тепловым расширением крепления, электродов и самого кристалла, дифференциальными термическимими, когда присутствует температурный градиент, расширением или сжатием соединения. материалов во время отверждения, давления воздуха, которое передается окружающей среде внутри кристалла, напряжения самой кристаллической решетки (неравномерный рост, примеси, дислокации), дефектами поверхности и повреждениями, вызванными во время производства, а также действием силы тяжести на массу кристалла; поэтому на частоту может влиять положение кристалла. Другими факторами, вызывающими динамическое напряжение, вызывают удары, вибрации и акустический шум. Некоторые порезы менее чувствительны к нагрузкам; разрез SC (с компенсацией напряжения) является примером. Изменения атмосферного давления также могут привести к деформации корпуса, на частоту за счет изменения паразитных емкостей.

Атмосферная влажность влияет на свойства теплопередачи воздуха и может электрическими свойствами, пластмасс за счет диффузии молекул воды в их состоянии, изменяя диэлектрические постоянные и электропроводность.

Другими факторами, влияющими на частоту, напряжение источника питания, сопротивление нагрузки, магнитные поля, электрические поля (в случае порезы SC), наличие поглощенной доза γ-частиц и ионизирующего излучения, и возраст кристалла.

Старение

Кристаллы претерпевают медленное измененное изменение частоты со временем, известное как старение. Здесь задействовано много механизмов. Крепление и контакты могут подвергаться снятию внутренних напряжений. Молекулы загрязнения либо из остаточной атмосферы, выделенные из кристалла, электродов или упаковочных материалов, либо внесенные во время герметизации корпуса, адсорбироваться на поверхности кристалла, изменяя его массу; этот эффект используется в микровесах на кристалле кварца. Состав кристалла может быть постепенно изменен за счет выделения газа, диффузии примесей или электродов, или решетки может быть повреждена радиация. Медленные химические реакции могут происходить на кристалле или внутри него, а также на внутренних поверхностях корпуса. Материал электрода, например хром или алюминий, могут реагировать с кристаллом, создавая слои оксида металла и кремния; эти интерфейс интерфейса могут изменяться со временем. Давление в корпусе может измениться из-за изменения атмосферного давления, температуры, утечек или выделения газа из материалов внутри. Факторы самого кристалла, например, старение схемы генератора (изменение вне камеры) и дрейф параметров кристаллической. Состав внешней атмосферы также может влиять на старение; водород может диффундировать через никелевый корпус. Гелий может вызывать аналогичные проблемы, когда он диффундирует через стеклянные кожухи стандартов рубидия.

Золото является предпочтительным электродным инструментом для малостареющих резонаторов; его адгезия к кварцу достаточно сильных деформаций, чтобы поддерживать контакт даже при сильных механических ударах, но достаточно, чтобы не выдерживать значительных градиентов деформации (в отличие от хрома, алюминия и алюминия и никеля). Золото также не образует оксидов; он адсорбирует органические загрязнения из воздуха, но их легко. Однако только золото может расслаиваться; поэтому иногда используется слой хрома для улучшения прочности связывания. Серебро и алюминий часто используются в качестве электродов; однако оба образуют оксидные слои со временем, которые увеличивают кристалла и понижают частоту. Серебро может быть пассивировано воздействием паров йода с образованием слоя йодида серебра. Алюминий окисляется легко, но медленно, пока не будет достигнута около 5 нм; повышенная температура при искусственном старении не увеличивает скорость образования оксида; толстый оксидный слой может быть сформирован во время производства посредством анодирования. Воздействие паров йода на посеребренный кристалл также можно использовать в любительских условиях для небольшого пони частоты кристалла; Q.

Смещение постоянного напряжения между электродами может ускорить начальное старение, вероятно, из-за индуцированного диффузия примесей через кристалл. частоту можно увеличить, соскребая части электродов. Размещение конденсатора последовательного с кристаллом и параллельного резистора в несколько мегаом может минимизировать такие напряжения.

Механическое повреждение

Кристаллы чувствительны к ударам. Механическое напряжение вызывает кратковременное изменение частоты осциллятора из-за чувствительности кристалла к напряжению и может вызвать постоянное изменение частоты из-за вызванных ударом изменений монтажных и внутренних напряжений (если пределы упругости механических частей), десорбция загрязнения кристалла или изменения параметров схемы. Удары большие силы могут оторвать кристаллы от их опор (особенно в случае больших низкочастотных кристаллов, подвешенных на тонких проволоках) или вызвать растрескивание кристалла. Кристаллы без дефектов поверхности высокой высокой ударрочностью; химическая полировка может производить кристаллы, способные выдержать десятки тысяч g.

частоты колебаний

Кристаллы также страдают от незначительных кратковременных колебаний частоты. Основными причинами такого шума являются, например, тепловой шум (который ограничивает минимальный уровень шума), рассеяние фононов (под новыми дефектов решетки), адсорбция / десорбция молекул на поверхности кристалла, шум схем генератора, механические удары и вибрации, ускорение и изменение ориентации, колебания температуры и снятие механических напряжений. Кратковременная стабильность измеряется спектральной функцией спектральной функции: дисперсия Аллана (наиболее распространенный параметр, характеристики в технических характеристиках генераторов), фазовым шумом, фазовым шумом, плотностью фазовых отклонений и спектральной плотностью относительных отклонений частоты. Эффекты ускорения и вибрации тенденцию преобладать над другими источниками шума; Устройство с поверхностной акустической волной обычно более чувствительны, чем устройство с объемной акустической волной (BAW), а разрезы с компенсацией напряжений еще менее чувствительны. Относительная ориентация ускорения по отношению к кристаллу сексуальности. Для высокостабильных радикалов механические виброизоляционные опоры.

Фазовый шум играет важную роль в системе быстродействие частоты, использующие умножение частоты; умножение частоты на N увеличение мощности фазового шума на N. Умножение частоты в 10 раз увеличьте фазовой ошибки в 10 раз. Это может иметь катастрофические последствия для систем, использующих технологии PLL или FSK.

Радиационное повреждение

Кристаллы несколько чувствительны к радиационному повреждению. Природный кварц намного более чувствителен, чем искусственно выращенные кристаллы, и чувствительность можно снизить, увеличить кристалл — нагревая кристалл до не менее 400 ° C в атмосфере без водорода в электрическом поле не менее 500 В / см в течение 12 часов. Такие развернутые кристаллы очень слабо реагируют на устойчивое ионизирующее излучение. Некоторые атомы Si (IV) заменены на примеси Al (III), каждый из которых имеет рядом компенсирующий катион Li или Na. Ионизация производит электронно-дырочные пары; дырки захватываются решеткой около атома Al, образующиеся атомы Li и Na слабо захватываются вдоль оси Z; тогда решетки вблизи атома Al и упругой постоянной вызывает изменение частоты изменения. Подметание удаляет ионы Li и Na из решетки, уменьшая этот эффект. Сайт Al может также захватывать атомы водорода. Все кристаллы имеют кратковременный отрицательный сдвиг частоты после воздействияса рентгеновского излучения ; затем частота постепенно возвращается назад; естественный кварц достигает стабильной частоты через 10–1000 секунд, с отрицательным смещением частоты до облучения, искусственные кристаллы возвращаются к частоте немного ниже или выше, чем до облучения, развернутые кристаллы отжигаются практически до исходной частоты. Отжиг происходит быстрее при более высоких температурах. Подметание в вакууме при более высоких температурах и напряженности поля может еще больше вызвать реакцию кристалла на импульссы рентгеновского излучения. Последовательно увеличенное значение рентгеновского кристаллов. Последовательно увеличенное значение рентгеновского излучения. Последовательное сопротивление развернутых кристаллов не изменяется. Увеличение последовательного сопротивления снижает Q; слишком большое увеличение может остановить колебания. Нейтронное излучение вызывает изменения частоты, вводя дислокации в решетку, выбивая атомы, единственный быстрый нейтрон может вызвать множество дефектов; частота среза SC и AT возрастает примерно линейно с поглощенной дозой нейтронов, в то время как частота срезов BT уменьшается. Нейтроны также изменяют температурно-частотные характеристики. Изменение частоты при низких дозах ионизирующего излучения пропорционально выше, чем при более высоких дозах. Излучение высокой интенсивности может остановить генератор, вызывая фотопроводимость в кристалле и транзисторах; с развернутым кристаллом и правильно спроектированной схемой колебания можно возобновиться в течение 15 микросекунд после всплеска излучения. Кристаллы кварца с высоким содержанием примесей щелочных металлов теряют качество при облучении; На добротность развернутых искусственных кристаллов это не влияет. Облучение более высокими дозами (более 10 рад) снижает чувствительность к последующим дозам. Очень низкие дозы облучения (ниже 300 рад) имеют непропорционально больший эффект, но эта нелинейность насыщается при более высоких дозах. При очень высоких дозах радиационная реакция кристалла также насыщается из-за конечного числа примесных участков, которые могут быть полезуты.

Магнитные поля мало влияют на сам кристалл, так как кварц диамагнитный ; вихревые токи или напряжение переменного тока могут быть индуцированы в цепях, и это может повлиять на магнитные части крепления и корпуса.

После включения кристалла требуется от нескольких секунд до минут, чтобы «нагреться» и стабилизировать свою частоту. OCXO с термостатом обычно требуется 3–10 минут для системы до достижения теплового равновесия; генераторы без духовки стабилизируются в течение нескольких секунд, поскольку несколько милливатт, рассеиваемых в кристалле, вызывают небольшой, но заметный уровень внутреннего сообщения.

Кристаллы не имеют собственных механизмов отказа; некоторые работали в десятилетиях. Однако отказы могут быть вызваны дефектами соединения, негерметичными корпусами, коррозией, сдвигом частоты из-за старения, разрушением кристалла из-за слишком сильного механического удара или радиационным повреждением, когда используется не очищенный кварц. Кристаллы также могут быть повреждены из-за перегрузки.

Кристаллы должны приводиться в движение на соответствующем уровне привода. В то время как имеют тенденцию быть довольно щадящими, поскольку при перегрузке плохие электрические параметры, стабильность и характеристики старения, низкочастотные кристаллы, особенно кристаллы изгибного режима, разрушаются при слишком высоких уровнях возбуждения. Уровень возбуждения определяется как количество мощности рассеиваемой кристаллом. Подходящие возбуждения составляют около 5 мкВт для изгибных мод до 100 кГц, 1 мкВт для основных мод на 1–4 МГц, 0,5 мкВт для основных мод 4–20 МГц и 0,5 мкВт для обертонных мод на 20–200 МГц. Слишком низкий уровень возбуждения может вызвать проблемы с запуском генератора. Низкие возбуждения лучше для большей стабильности и меньшего энергопотребления генератора. Более высокие возбуждения, в свою очередь, уменьшают влияние шума за счет увеличения отношения сигнал / шум .

Стабильность кристаллов АТ-огранки снижается с настройками частоты. Для более точных высоких частот лучше использовать кристалл с более низкой основной качеством, работающий на обертоне.

Самые большие изменения после изготовления. Искусственное старение путем длительного хранения при температуре от 85 до 125 ° C может повысить его долговременную стабильность.

Плохо спроектированная схема генератора может внезапно начать колебаться на обертоне. В 1972 году поезд в Фремонте, Калифорния разбился из-за неисправного генератора. Несоответствующее значение емкости емкостного конденсатора привело к перегрузке кристалла на плате управления, скачку до обертона и к ускорению поезда вместо замедления.

Кристалл разрезает

Пластина резонатора может быть вырезанным из исходного кристалла разными способами. Ориентация среза влияет на характеристики старения кристалла, стабильность частоты, тепловые характеристики и другие параметры. Эти разрезы работают на объемной акустической волне (BAW); для более высоких частот используются устройства на поверхностных акустических волнах (SAW).

Cut Диапазон частот Режим Углы Описание

AT 0,5–300 МГц сдвиг по толщине (c-режим, медленный квазисдвиг) 35 ° 15 ‘, 0 ° ( 10 МГц) Самая распространенная огранка, разработанная в 1934 году. Пластина содержит ось x кристалла и наклонена на 35 ° 15 ‘от оси z (оптическая). Кривая частота-температура представляет собой синусоидальную кривую с точкой перегиба при температуре около 25–35 ° C. Имеет постоянную частоту 1,661 МГц⋅мм. Большинство (по оценкам, более 90%) кристаллов относятся к этому варианту. Используется для генераторов, работающих в более широком диапазоне температур, от 0,5 до 200 МГц; также используется в генераторах с духовым управлением. Чувствителен к механическим нагрузкам, вызванным внешними силами или температурными градиентами. Кристаллы со сдвигом толщины обычно работают в основной моде на частотах 1–30 МГц, третьем обертоне на 30–90 МГц и пятом обертоне на частоте 90–150 МГц; согласно другому источнику, они могут быть сделаны для работы в основном режиме до 300 МГц, хотя этот режим обычно используется только до 100 МГц, и согласно еще одному источнику верхний предел основной частоты среза AT ограничен 40 МГц для небольших диаметр заготовок. Может быть изготовлен как в виде обычного круглого диска, так и в виде полосового резонатора; последний допускает гораздо меньший размер. Толщина кварцевой заготовки составляет около (1,661 мм) / (частота в МГц), при этом частота несколько смещается при дальнейшей обработке. Третий обертон примерно в 3 раза больше основной частоты; Обертоны превышают эквивалентную частоту основной частоты примерно на 25 кГц на обертон. Кристаллы, предназначенные для работы в режимах обертона, должны быть специально обработаны для обеспечения плоскопараллельности и чистоты поверхности для достижения наилучших характеристик при данной частоте обертона.

SC 0,5–200 МГц сдвиг по толщине 35 ° 15 ‘, 21 ° 54’ Специальная резка (с компенсацией напряжения), разработанная в 1974 году, представляет собой резку с двойным вращением (35 ° 15 ‘и 21 ° 54’) для стабилизированных термостатом осцилляторов с низким фазовый шум и хорошие характеристики старения. Менее чувствителен к механическим воздействиям. Имеет более высокую скорость разогрева, более высокую добротность, лучший фазовый шум вблизи, меньшую чувствительность к пространственной ориентации против вектора силы тяжести и меньшую чувствительность к вибрациям. Его частотная постоянная составляет 1,797 МГц⋅ мм. Связанные моды хуже, чем срез AT, сопротивление обычно выше; гораздо больше внимания требуется для преобразования между обертонами. Работает на тех же частотах, что и срез AT. Кривая частота-температура представляет собой нисходящую параболу третьего порядка с точкой перегиба при 95 ° C и гораздо более низкой температурной чувствительностью, чем разрез AT. Подходит для OCXO, например, в космические системы и системы GPS. Менее доступен, чем разрез AT, сложнее в производстве; улучшение параметров на порядок заменяется на порядок более жесткими допусками ориентации кристалла. Характеристики старения в 2–3 раза лучше, чем у срезов AT. Менее чувствителен к уровню движения. Гораздо меньше падений активности. Менее чувствителен к геометрии пластины. Требуется печь, плохо работает при температуре окружающей среды, так как частота быстро падает при более низких температурах. Имеет в несколько раз меньшую подвижную емкость, чем соответствующий разрез AT, что снижает возможность регулировки частоты кристалла подключенным конденсатором; это ограничивает использование в обычных устройствах TCXO и VCXO, а также в других приложениях, в которых частота кристалла должна регулироваться. Температурные коэффициенты для основной частоты отличаются от ее третьего обертона; когда кристалл работает на обеих частотах одновременно, результирующая частота биений может использоваться для измерения температуры, например, в кварцевые генераторы с компенсацией микрокомпьютера. Чувствителен к электрическим полям. Чувствителен к воздушному демпфированию, поэтому для получения оптимальной добротности его необходимо упаковывать в вакууме. Температурный коэффициент для b-режима составляет -25 ppm / ° C, для двойного режима от 80 до более 100 ppm / ° C.

BT 0,5–200 МГц сдвиг толщины (b-режим, быстрый квазисдвиг) -49 ° 8 ‘, 0 ° Специальный разрез, похожий на AT-разрез, за исключением того, что пластина разрезается под углом 49 ° от оси z. Работает в режиме сдвига по толщине, в режиме b (быстрый квазисдвиг). Он имеет хорошо известные и повторяемые характеристики. Имеет постоянную частоту 2,536 МГц⋅мм. Имеет худшие температурные характеристики, чем разрез АТ. Из-за более высокой постоянной частоты может использоваться для кристаллов с более высокими частотами, чем у АТ-среза, до более чем 50 МГц.

IT сдвиг по толщине Специальный разрез представляет собой разрез с двойным вращением с улучшенными характеристиками для печных- стабилизированные генераторы. Работает в режиме сдвига по толщине. Кривая частота-температура представляет собой нисходящую параболу третьего порядка с точкой перегиба при 78 ° C. Редко используемый. Имеет такие же характеристики и свойства, что и резка SC, больше подходит для более высоких температур.

FC сдвиг по толщине Специальная резка, резка с двойным вращением с улучшенными характеристиками для осцилляторов, стабилизированных печью. Работает в режиме сдвига по толщине. Кривая частота-температура представляет собой нисходящую параболу третьего порядка с точкой перегиба при 52 ° C. Редко используемый. Используется в генераторах с духовым управлением; печь можно настроить на более низкую температуру, чем для разрезов AT / IT / SC, до начала плоской части кривой температура-частота (которая также шире, чем для других разрезов); когда температура окружающей среды достигает этой области, печь выключается, и кристалл работает при температуре окружающей среды, сохраняя при этом разумную точность. Таким образом, этот рез сочетает в себе функцию энергосбережения, обеспечивающую относительно низкую температуру печи с приемлемой стабильностью при более высоких температурах окружающей среды.

AK сдвиг по толщине резка с двойным вращением с лучшими температурно-частотными характеристиками, чем разрезы AT и BT, и с более высокой устойчивостью к кристаллографическая ориентация, чем разрезы AT, BT и SC (в 50 раз по сравнению со стандартным разрезом AT, согласно расчетам). Работает в режиме сдвига по толщине.

CT 300–900 кГц сдвиг по поверхности 38 °, 0 ° График зависимости частоты от температуры представляет собой нисходящую параболу.

DT 75–800 кГц торцевой сдвиг −52 °, 0 ° Подобно резке CT. График частота-температура представляет собой нисходящую параболу. Температурный коэффициент ниже, чем у CT резки; там, где это позволяет частотный диапазон, DT предпочтительнее CT.

SL сдвиг при торце -57 °, 0 °

GT 0,1–3 МГц растяжение по ширине 51 ° 7 ‘ Его температурный коэффициент между -25… + 75 ° C близок к нулю из-за эффекта компенсации между двумя режимами.

E, 5 ° X 50–250 кГц продольный Имеет достаточно низкий температурный коэффициент, широко используется для низкочастотных кварцевых фильтров.

MT 40–200 кГц продольный

ET 66 ° 30 ‘

FT — 57 °

NT 8–130 кГц прогиб (изгиб) длина-ширина

XY, камертон 3–85 кГц прогиб длина-ширина Доминирующий низкий -частотный кристалл, так как он меньше других низкочастотных разрезов, менее дорогой, имеет низкий импеданс и низкое отношение Co / C1. Основное применение — кристалл RTC на 32,768 кГц. Его второй обертон примерно в шесть раз больше основной частоты.

H 8–130 кГц изгиб длина-ширина Широко используется для широкополосных фильтров. Температурный коэффициент линейный.

J 1–12 кГц изгиб длина-толщина J-образный разрез состоит из двух кварцевых пластин, соединенных вместе, выбранных для создания противофазного движения для данного электрического поля.

RT Резка с двойным вращением.

SBTC Резка с двойным вращением.

TS Резка с двойным вращением.

X 30 ° Резка с двойным вращением.

LC сдвиг по толщине 11,17 ° / 9,39 ° Резка с двойным вращением («линейный коэффициент») с линейной температурно-частотной характеристикой; может использоваться как датчик в кристаллических термометрах. Температурный коэффициент составляет 35,4 ppm / ° C.

AC 31 ° Температурно-чувствительный, может использоваться в качестве датчика. Одномодовый с крутыми частотно-температурными характеристиками. Температурный коэффициент составляет 20 ppm / ° C.

BC -60 ° Чувствительный к температуре.

NLSC Чувствительный к температуре. Температурный коэффициент составляет около 14 ppm / ° C.

Y Температурно-чувствительный, может использоваться как датчик. Одномодовый с крутыми частотно-температурными характеристиками. Плоскость пластины перпендикулярна оси Y кристалла. Также называется параллельным или 30-градусным . Температурный коэффициент составляет около 90 ppm / ° C.

X Используется в одном из первых кварцевых генераторов в 1921 году У. Г. Кэди и в качестве генератора 50 кГц в первых кварцевых часах Хортона и Маррисона в 1927 году. Плоскость пластины. перпендикулярна оси X кристалла. Также называется перпендикулярный, нормальный, Кюри, нулевой угол или ультразвуковой .

Т в названии разреза обозначает пропил с температурной компенсацией, разрез, ориентированный таким образом, чтобы температурные коэффициенты решетки были минимальными; разрезы FC и SC также имеют температурную компенсацию.

Высокочастотные резаки крепятся за края, обычно на пружинах; жесткость пружины должна быть оптимальной, так как если она слишком жесткая, механические удары могут передаваться на кристалл и вызывать его разрушение, а слишком низкая жесткость может позволить кристаллу столкнуться с внутренней частью упаковки при воздействии механический удар и поломка. Полосовые резонаторы, обычно АТ-разрезы, меньше и поэтому менее чувствительны к механическим ударам. При той же частоте и обертоне полоса имеет меньшую тяговую способность, более высокое сопротивление и более высокий температурный коэффициент.

Низкочастотные срезы устанавливаются в узлах, где они практически неподвижны; в таких точках с каждой стороны между кристаллом и выводами прикреплены тонкие проволоки. Большая масса кристалла, подвешенного на тонких проволоках, делает сборку чувствительной к механическим ударам и вибрациям.

Кристаллы обычно помещаются в герметичные стеклянные или металлические корпуса, заполненные сухой и инертной атмосферой, обычно вакуумной., азот или гелий. Также можно использовать пластиковые корпуса, но они негерметичны, и вокруг кристалла необходимо создать еще одно вторичное уплотнение.

Возможны несколько конфигураций резонатора, в дополнение к классическому способу прямого присоединения выводов к кристаллу. Например. резонатор BVA (Boîtier à Vieillissement Amélioré, Корпус с улучшенным старением), разработанный в 1976 году; детали, влияющие на колебания, выточены из монокристалла (что снижает монтажное напряжение), а электроды нанесены не на сам резонатор, а на внутренние стороны двух конденсаторных дисков, сделанных из соседних пластин кварца из одного и того же стержня., образуя трехслойный сэндвич без напряжения между электродами и вибрирующим элементом. Зазор между электродами и резонатором действует как два небольших последовательных конденсатора, что делает кристалл менее чувствительным к влияниям цепи. Архитектура устраняет влияние поверхностных контактов между электродами, ограничений в монтажных соединениях и проблемы, связанные с миграцией ионов от электродов в решетку вибрирующего элемента. Полученная конфигурация является прочной, устойчивой к ударам и вибрации, устойчивой к ускорению и ионизирующему излучению и имеет улучшенные характеристики старения. Обычно используется разрез AT, хотя существуют и варианты разреза SC. Резонаторы BVA часто используются в космических аппаратах.

В 1930-1950-х годах люди довольно часто регулировали частоту кристаллов ручным шлифованием. Кристаллы измельчали с помощью мелкодисперсной абразивной суспензии или даже зубной пасты, чтобы увеличить их частоту. Небольшое уменьшение на 1–2 кГц, когда кристалл находился над землей, было возможно, если пометить лицевую сторону кристалла грифелем за счет пониженного Q.

Частота кристалла слегка регулируется («тянущаяся» «) путем изменения присоединенных емкостей. варактор, диод с емкостью, зависящей от приложенного напряжения, часто используется в кварцевых генераторах, управляемых напряжением, VCXO. Кристаллические срезы обычно AT или редко SC и работают в основном режиме; величина доступного отклонения частоты обратно пропорциональна квадрату числа обертона, поэтому третий обертон имеет только одну девятую от тяги основной моды. Срезы SC, будучи более стабильными, имеют значительно меньшую тягу.

Обозначения и сокращения схем

На принципиальных электрических схемах кристаллы обозначены буквой класса Y (Y1, Y2 и т. Д.). Генераторы, будь то кварцевые или другие генераторы, обозначаются буквой класса G (G1, G2 и т. Д.). Кристаллы также могут быть обозначены на с хеме X или XTAL или кварцевый генератор с XO.

Кварцевый генератор — Crystal oscillator

А кварцевый генератор является электронный генератор схема, использующая механический резонанс вибрирующего кристалл из пьезоэлектрический материал для создания электрического сигнала с постоянной частота. [1] [2] [3] Эта частота часто используется для учета времени, как в кварцевые наручные часы, чтобы обеспечить стабильную тактовый сигнал за цифровой интегральные схемы, и для стабилизации частот для радиопередатчики и приемники. Наиболее распространенным типом используемых пьезоэлектрических резонаторов является кварц кристалл, поэтому схемы генераторов, включающие их, стали известны как кварцевые генераторы, [1] но другие пьезоэлектрический материалы, включая поликристаллический керамика используется в подобных схемах.

Кварцевый генератор основан на небольшом изменении формы кристалла кварца под воздействием электрическое поле, свойство, известное как электрострикция или наоборот пьезоэлектричество. Напряжение, приложенное к электрод на кристалле заставляет его менять форму; когда напряжение снимается, кристалл генерирует небольшое напряжение, когда он упруго возвращается к своей исходной форме. Кварц колеблется на стабильной резонансной частоте, ведя себя как Схема RLC, но с гораздо более высоким Добротность (меньше потерь энергии на каждый цикл колебаний). После того, как кристалл кварца настроен на определенную частоту (на которую влияет масса электродов, прикрепленных к кристаллу, ориентация кристалла, температура, время и другие факторы), он поддерживает эту частоту с высокой стабильностью. [4]

Кристаллы кварца изготавливаются для частот от нескольких десятков килогерц до сотен мегагерц. Ежегодно производится более двух миллиардов кристаллов. [ нужна цитата ] Большинство из них используются для потребительских устройств, таких как наручные часы, часы, радио, компьютеры, и сотовые телефоны. Кристаллы кварца также находятся внутри испытательного и измерительного оборудования, такого как счетчики, генераторы сигналов, и осциллографы.

Содержание

Терминология

Кварцевый генератор — это электронный генератор схема, в которой в качестве частотно-определяющего элемента используется пьезоэлектрический резонатор — кристалл. Кристалл — общий термин, используемый в электронике для определения частотного компонента, пластины из Кристалл кварца или керамический с подключенными к нему электродами. Более точный термин для этого: пьезоэлектрический резонатор. Кристаллы также используются в других типах электронных схем, таких как кристаллические фильтры.

Пьезоэлектрические резонаторы продаются как отдельные компоненты для использования в схемах кварцевых генераторов. Пример показан на картинке. Их также часто объединяют в один корпус со схемой кварцевого генератора, показанной справа.

История

Пьезоэлектричество был обнаружен Жак и Пьер Кюри в 1880 г. Поль Ланжевен первые исследованные кварцевые резонаторы для использования в сонар во время Первой мировой войны. Первый управляемый кристаллами осциллятор, используя кристалл Рошель соль, построен в 1917 году и запатентован [5] в 1918 г. Александр М. Николсон в Bell Telephone Laboratories, хотя его приоритет оспаривался Уолтер Гайтон Кэди. [6] Кэди построила первый кварцевый генератор в 1921 году. [7] К другим первым изобретателям кварцевых генераторов относятся: Г. В. Пирс и Луи Эссен.

Генераторы на кварцевом кристалле были разработаны для высокостабильных эталонных частот в 1920-х и 1930-х годах. До кристаллов радиостанции контролировали свою частоту с помощью настроенные схемы, который мог легко отклоняться от частоты на 3–4 кГц. [8] Поскольку радиовещательным станциям были присвоены частоты с интервалом всего 10 кГц, помехи между соседними станциями из-за дрейфа частоты были обычной проблемой. [8] В 1925 году Westinghouse установила кварцевый генератор на своей флагманской станции KDKA. [8] а к 1926 году кристаллы кварца использовались для управления частотой многих радиостанций и были популярны среди радиолюбителей. [9] В 1928 году Уоррен Маррисон из Bell Telephone Laboratories разработал первый кварцевые часы. С точностью до 1 секунды за 30 лет (30 мс / год или 0,95 нс / с), [7] кварцевые часы заменили точность маятниковые часы как самые точные хронометристы в мире, пока атомные часы были разработаны в 1950-х годах. Используя раннюю работу Bell Labs, AT&T в конечном итоге создала свое подразделение продуктов для контроля частоты, которое позже было выделено и известное сегодня как Vectron International. [10]

В это время ряд фирм начали производить кристаллы кварца для электронного использования. Используя то, что сейчас считается примитивным способом, в 1939 году в Соединенных Штатах было произведено около 100 000 единиц кристаллов. Вторая Мировая Война кристаллы были сделаны из натурального кристалла кварца, практически все из Бразилия. Нехватка кристаллов во время войны, вызванная требованием точного управления частотой военных и военно-морских сил. радио и радары стимулировало послевоенные исследования по выращиванию синтетического кварца, и к 1950 г. гидротермальный процесс выращивания кристаллов кварца в промышленных масштабах был разработан в Bell Laboratories. К 1970-м годам практически все кристаллы, используемые в электронике, были синтетическими.

В 1968 году Юрген Штаудте изобрел фотолитографический процесс изготовления кварцевых генераторов при работе на Североамериканская авиация (сейчас же Rockwell ), что позволило сделать их достаточно маленькими для портативных продуктов, таких как часы. [11]

Хотя кварцевые генераторы по-прежнему чаще всего используют кристаллы кварца, устройства, использующие другие материалы, становятся все более распространенными, например керамические резонаторы.

Операция

А кристалл это твердый в котором составляющая атомы, молекулы, или же ионы упакованы в регулярно упорядоченный повторяющийся узор, охватывающий все три пространственных измерения.

Практически любой предмет из эластичный материал можно использовать как кристалл, с соответствующими преобразователи, поскольку все объекты имеют естественные резонансный частоты вибрация. Например, стали очень эластичен и обладает высокой скоростью звука. Его часто использовали в механические фильтры перед кварцем. Резонансная частота зависит от размера, формы, эластичность, а скорость звука в материале. Высокочастотные кристаллы обычно имеют форму простого прямоугольника или круглого диска. Низкочастотные кристаллы, такие как те, что используются в цифровых часах, обычно имеют форму камертон. Для приложений, которым не требуется очень точное время, предлагается недорогой керамический резонатор часто используется вместо кристалла кварца.

Когда кристалл кварц правильно вырезан и смонтирован, он может деформироваться в электрическое поле применяя Напряжение для электрод рядом или на кристалле. Это свойство известно как электрострикция или обратное пьезоэлектричество. Когда поле снимается, кварц генерирует электрическое поле, возвращаясь к своей прежней форме, и это может генерировать напряжение. В результате кристалл кварца ведет себя как Схема RLC, состоящий из индуктор, конденсатор и резистор, с точной резонансной частотой.

Кварц имеет еще одно преимущество: его упругие постоянные и размер изменяются таким образом, что частотная зависимость от температуры может быть очень низкой. Конкретные характеристики зависят от режима вибрации и угла, под которым кварц разрезается (относительно его кристаллографических осей). [12] Поэтому резонансная частота пластины, которая зависит от ее размера, не сильно меняется. Это означает, что кварцевые часы, фильтр или генератор остаются точными. Для критических применений кварцевый генератор устанавливается в контейнере с регулируемой температурой, называемом хрустальная печь, а также может быть установлен на амортизаторах для предотвращения возмущений от внешних механических колебаний.

Моделирование

Электрическая модель

Кристалл кварца можно смоделировать как электрическую сеть с низкимсопротивление (серия) и высоко-сопротивление (параллельные) точки резонанса расположены близко друг к другу. Математически (используя Преобразование Лапласа ), импеданс этой сети можно записать как:

Добавление емкость поперек кристалла вызывает уменьшение (параллельной) резонансной частоты. Добавление индуктивность через кристалл вызывает увеличение (параллельной) резонансной частоты. Эти эффекты можно использовать для регулировки частоты колебаний кристалла. Производители кристаллов обычно режут и обрезают свои кристаллы до определенной резонансной частоты с известной «нагрузочной» емкостью, добавленной к кристаллу. Например, кристалл, предназначенный для нагрузки 6 пФ, имеет заданную параллельную резонансную частоту, когда 6,0 пФ конденсатор размещается поперек него. Без емкости нагрузки резонансная частота выше.

Режимы резонанса

Кристалл кварца обеспечивает как последовательный, так и параллельный резонанс. Последовательный резонанс на несколько килогерц ниже параллельного. Кристаллы ниже 30 МГц обычно работают между последовательным и параллельным резонансами, что означает, что кристалл выглядит как индуктивное сопротивление при работе эта индуктивность образует параллельный резонансный контур с подключенной извне параллельной емкостью. Любая небольшая дополнительная емкость, параллельная кристаллу, понижает частоту. Более того, эффективное индуктивное сопротивление кристалла можно уменьшить, добавив конденсатор последовательно с кристаллом. Этот последний метод может обеспечить полезный метод подстройки частоты колебаний в узком диапазоне; в этом случае включение конденсатора последовательно с кристаллом увеличивает частоту колебаний. Чтобы кристалл работал на указанной частоте, электронная схема должна быть точно такой, как указано изготовителем кристалла. Обратите внимание, что эти моменты подразумевают тонкость, касающуюся кварцевых генераторов в этом диапазоне частот: кристалл обычно не колеблется точно ни на одной из своих резонансных частот.

Кристаллы с частотой выше 30 МГц (до> 200 МГц) обычно работают при последовательном резонансе, когда полное сопротивление оказывается минимальным и равным последовательному сопротивлению. Для этих кристаллов указано последовательное сопротивление ( Температурные эффекты

Частотная характеристика кристалла зависит от формы или «огранки» кристалла. Кристалл камертона обычно разрезают так, чтобы его частотная зависимость от температуры была квадратичной с максимумом около 25 ° C. [ нужна цитата ] Это означает, что камертонный кварцевый генератор резонирует близко к своей целевой частоте при комнатной температуре, но замедляется, когда температура либо повышается, либо понижается от комнатной. Общий параболический коэффициент для камертона 32 кГц составляет -0,04 ppm / ° C. 2 : [ нужна цитата ]

В реальном приложении это означает, что часы, построенные с использованием обычного камертонного кристалла 32 кГц, хорошо показывают время при комнатной температуре, но теряют 2 минуты в год при температуре на 10 ° C выше или ниже комнатной и теряют 8 минут в год при 20 ° C. ° C выше или ниже комнатной температуры из-за кристалла кварца.

Цепи кварцевого генератора

Схема кварцевого генератора поддерживает колебания, принимая сигнал напряжения от кварца. резонатор, усиливая его и подавая обратно в резонатор. Скорость расширения и сжатия кварца — это резонансный частота и определяется огранкой и размером кристалла. Когда энергия генерируемых выходных частот совпадает с потерями в цепи, колебания могут поддерживаться.

Кристалл генератора состоит из двух электропроводящих пластин, между которыми помещен кусок или камертон из кристалла кварца. Во время запуска схема управления помещает кристалл в неустойчивое равновесие, и из-за положительный отзыв в системе любая крошечная доля шум усиливается, увеличивая колебания. Кристаллический резонатор также можно рассматривать как высокочастотно-избирательный фильтр в этой системе: он пропускает только очень узкую поддиапазон частот вокруг резонансной, ослабляя все остальное. В конце концов, активна только резонансная частота. Когда генератор усиливает сигналы, выходящие из кристалла, сигналы в полосе частот кристалла становятся сильнее, в конечном итоге доминируя на выходе генератора. Узкая резонансная полоса кристалла кварца фильтры из всех нежелательных частот.

Выходная частота кварцевого генератора может быть либо частотой основного резонанса, либо кратной этому резонансу, называемой частотой гармонический частота. Гармоники — это точное целое число, кратное основной частоте. Но, как и многие другие механические резонаторы, кристаллы демонстрируют несколько режимов колебаний, обычно с примерно нечетными целыми кратными основной частоты. Их называют «обертонными модами», и схемы генератора могут быть разработаны для их возбуждения. Обертонные моды находятся на частотах, которые являются приблизительными, но не точными нечетными целыми кратными частотам основной моды, и поэтому частоты обертона не являются точными гармониками основной моды.

Высокочастотные кристаллы часто предназначены для работы на третьем, пятом или седьмом обертоне. Производители сталкиваются с трудностями при производстве кристаллов, достаточно тонких для получения основных частот выше 30 МГц. Для получения более высоких частот производители создают кристаллы обертона, настроенные так, чтобы 3-й, 5-й или 7-й обертон были настроены на желаемую частоту, потому что они толще и, следовательно, их легче изготовить, чем основной кристалл, который будет воспроизводить ту же частоту, хотя и возбуждает желаемый обертон. частота требует немного более сложной схемы генератора. [13] [14] [15] [16] [17] Схема кварцевого генератора на основной частоте проще и эффективнее, а также имеет большую гибкость, чем схема третьего обертона. В зависимости от производителя максимальная доступная основная частота может составлять от 25 МГц до 66 МГц. [18] [19]

Основная причина широкого использования кварцевых генераторов — их высокая Добротность. Типичный Q значение для кварцевого генератора колеблется от 10 4 до 10 6 , по сравнению с возможно 10 2 для Генератор LC. Максимум Q для высокостабильного кварцевого генератора можно оценить как Q = 1.6 × 10 7 /ж, куда ж — резонансная частота в мегагерцах. [20] [21]

Одной из наиболее важных характеристик кварцевых генераторов является то, что они могут показывать очень низкую фазовый шум Во многих осцилляторах любая спектральная энергия на резонансной частоте усиливается осциллятором, что приводит к сбору тонов в разных фазах. В кварцевом генераторе кристалл в основном колеблется по одной оси, поэтому преобладает только одна фаза. низкого фазовый шум делает их особенно полезными в телекоммуникациях, где необходимы стабильные сигналы, и в научном оборудовании, где необходимы очень точные привязки времени.

Изменения температуры, влажности, давления и вибрации в окружающей среде могут изменить резонансную частоту кристалла кварца, но есть несколько конструкций, которые уменьшают это воздействие окружающей среды. К ним относятся TCXO, MCXO и OCXO которые определены ниже. Эти конструкции, особенно OCXO, часто производят устройства с превосходной кратковременной стабильностью. Ограничения краткосрочной стабильности в основном связаны с шумами электронных компонентов в схемах генератора. Долговременная стабильность ограничивается старением кристалла.

Из-за старения и факторов окружающей среды (таких как температура и вибрация) трудно удержать даже самые лучшие кварцевые генераторы в пределах одной части из 10. 10 их номинальной частоты без постоянной регулировки. По этой причине, атомные осцилляторы используются для приложений, требующих лучшей долговременной стабильности и точности.

Паразитные частоты

Для кристаллов, работающих в последовательном резонансе или выведенных из основного режима путем включения последовательной катушки индуктивности или конденсатора, могут возникать значительные (и зависящие от температуры) ложные отклики. Хотя большинство паразитных мод обычно на несколько десятков килогерц выше желаемого последовательного резонанса, их температурный коэффициент отличается от основного режима, и паразитный отклик может проходить через основной режим при определенных температурах. Даже если последовательные сопротивления на паразитных резонансах оказываются выше, чем сопротивление на желаемой частоте, быстрое изменение последовательного сопротивления основной моды может происходить при определенных температурах, когда две частоты совпадают. Следствием этих провалов активности является то, что генератор может блокироваться. на паразитной частоте при определенных температурах. Обычно это сводится к минимуму, гарантируя, что поддерживающая схема имеет недостаточное усиление для активации нежелательных режимов.

Паразитные частоты также возникают при вибрации кристалла. Это в небольшой степени модулирует резонансную частоту на частоту колебаний. Кристаллы SC-среза предназначены для минимизации частотного эффекта монтажного напряжения и, следовательно, менее чувствительны к вибрации. Эффекты ускорения, включая гравитацию, также уменьшаются с кристаллами SC-среза, как и изменение частоты со временем из-за длительного изменения монтажного напряжения. У кристаллов срезного режима SC-среза есть недостатки, такие как необходимость в поддерживающем осцилляторе, чтобы различать другие близко расположенные связанные нежелательные режимы и повышенное изменение частоты из-за температуры при воздействии на полный диапазон окружающей среды. Кристаллы SC-среза наиболее выгодны там, где возможен контроль температуры при их температуре нулевого температурного коэффициента (оборота), при этих обстоятельствах общие характеристики стабильности от блоков премиум-класса могут приближаться к стабильности стандартов частоты рубидия.

Обычно используемые кварцевые частоты

Кристаллы могут быть изготовлены для генерации в широком диапазоне частот, от нескольких килогерц до нескольких сотен мегагерц. Многие приложения требуют, чтобы частота кварцевого генератора была удобно связана с какой-то другой желаемой частотой, поэтому сотни стандартных кварцевых частот производятся в больших количествах и хранятся на складе дистрибьюторов электроники. Например кристаллы 3,579545 МГц, которые производятся в больших количествах для NTSC цвет телевидение приемники также популярны во многих нетелевизионных приложениях. С помощью делители частоты, умножители частоты и ФАПЧ схемы, это практично, чтобы получить широкий диапазон частот от одной опорной частоты.

Кристаллические структуры и материалы

Кварцевый

Наиболее распространенным материалом для кристаллов осциллятора является кварц. В начале технологии использовались кристаллы природного кварца, но теперь синтетический кристаллический кварц, выращенный гидротермальный синтез является преобладающим из-за более высокой чистоты, более низкой стоимости и более удобного обращения. Одно из немногих оставшихся применений природных кристаллов — это датчики давления в глубоких скважинах. В течение Вторая Мировая Война и некоторое время спустя природный кварц считался стратегический материал США. Крупные кристаллы были импортированы из Бразилии. Сырой «ласкас», исходный кварц для гидротермального синтеза, импортируется в США или добывается на месте компанией Coleman Quartz. Средняя стоимость выращенного синтетического кварца в 1994 г. была 60 доллар США /кг. [22]

Существуют два типа кристаллов кварца: левый и правый. Эти двое отличаются своими оптическое вращение но они идентичны по другим физическим свойствам. Как левый, так и правый кристаллы могут использоваться для генераторов, если угол среза правильный. В производстве обычно используется правый кварц. [23] SiO₄ тетраэдры образуют параллельные спирали; направление закручивания спирали определяет левую или правую ориентацию. Спирали выровнены по оси z и объединены, разделяя атомы. Масса спиралей образует сетку из малых и больших каналов, параллельных оси z. Большие достаточно велики, чтобы обеспечить некоторую подвижность более мелких ионов и молекул через кристалл. [24]

Кварц существует в нескольких фазах. При 573 ° C и давлении 1 атмосфера (и при более высоких температурах и более высоких давлениях) α-кварц подвергается кварцевая инверсия, обратимо превращается в β-кварц. Однако обратный процесс не является полностью однородным и кристаллическое двойникование происходит. Во время производства и обработки необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать фазового превращения. Другие фазы, например более высокотемпературные фазы тридимит и кристобалит, не имеют значения для осцилляторов. Все кристаллы кварцевого генератора относятся к типу α-кварца.

Качественный

Инфракрасная спектрофотометрия используется как один из методов измерения качества выращенных кристаллов. В волновые числа 3585, 3500 и 3410 см −1 обычно используются. Измеренное значение основано на полосы поглощения из ОН радикал и вычисляется инфракрасное значение Q. Кристаллы электронного качества, класс C, имеют добротность 1,8 миллиона или выше; кристаллы премиального класса B имеют Q = 2,2 миллиона, а кристаллы специального премиального класса A имеют Q = 3,0 миллиона. Значение Q рассчитывается только для области z; кристаллы, содержащие другие области, могут быть повреждены. Другой показатель качества — плотность каналов травления; когда кристалл травленый, по линейным дефектам создаются трубчатые каналы. Для обработки с травлением, например кристаллы камертона наручных часов, желательна низкая плотность каналов травления. Плотность каналов травления для развернутого кварца составляет порядка 10–100, а для неочищенного кварца значительно больше. Наличие каналов травления и ямок травления ухудшает добротность резонатора и вносит нелинейности. [25]

Производство

Кристаллы кварца можно выращивать для определенных целей.

Кристаллы для AT-вырез являются наиболее распространенными в массовом производстве осцилляторными материалами; форма и размеры оптимизированы для получения необходимого урожая вафли. Кристаллы кварца высокой чистоты выращиваются с особо низким содержанием алюминия, щелочного металла и других примесей и минимальными дефектами; малое количество щелочных металлов обеспечивает повышенную стойкость к ионизирующему излучению. Кристаллы для наручных часов, для резки кристаллов камертона 32768 Гц, выращены с очень низкой плотностью каналов травления.

Кристаллы для УВИДЕЛ устройства выращиваются как плоские, с крупными затравками X-размера с низкой плотностью каналов травления.

Специальные кристаллы с высокой добротностью для использования в высокостабильных генераторах выращиваются с постоянной низкой скоростью и имеют постоянное низкое поглощение инфракрасного излучения по всей оси Z. Кристаллы можно выращивать как Y-образную полосу с затравочный кристалл в форме стержня и вытянутой вдоль оси Y, или как Z-пластина, выращенная из затравки пластины с длиной в направлении оси Y и шириной по оси X. [23] Область вокруг затравочного кристалла содержит большое количество кристаллических дефектов и не должна использоваться для пластин.

Кристаллы растут анизотропно; рост по оси Z до 3 раз быстрее, чем по оси X.Направление и скорость роста также влияют на скорость поглощения примесей. [26] Кристаллы с Y-образной полосой или кристаллы с Z-образной пластиной с длинной осью Y имеют четыре области роста, обычно называемые + X, −X, Z и S. [27] Распределение примесей при росте неравномерное; разные зоны роста содержат разные уровни загрязняющих веществ. Области Z являются наиболее чистыми, небольшие, иногда присутствующие области S менее чисты, область + X еще менее чистая, а область -X имеет самый высокий уровень примесей. Примеси отрицательно влияют на радиационная стойкость, восприимчивость к побратимство, потери на фильтре и долгосрочную и краткосрочную стабильность кристаллов. [28] Семена с разным срезом в разной ориентации могут обеспечить другие типы регионов роста. [29] Скорость роста направления -X самая низкая из-за эффекта адсорбции молекул воды на поверхности кристалла; примеси алюминия подавляют рост в двух других направлениях. Содержание алюминия самое низкое в Z-области, больше — в + X, еще больше — в -X и самое высокое — в S; размер S-областей также увеличивается с увеличением количества присутствующего алюминия. Содержание водорода самое низкое в области Z, выше в области + X, еще выше в области S и самое высокое в -X. [30] Включения алюминия превращаются в центры окраски под действием гамма-излучения, вызывая потемнение кристалла пропорционально дозе и уровню примесей; наличие областей с разной темнотой указывает на разные области роста.

Доминирующий тип дефект в кристаллах кварца вызывает озабоченность замещение Al (III) для Si (IV) атом в кристаллическая решетка. Рядом с ионом алюминия имеется связанный компенсатор межузельного заряда, который может быть ЧАС + ион (прикрепленный к соседнему кислороду и образующий гидроксильная группа, называемый дефектом Al-OH), Ли + ион Na + ион K + ion (реже), или электронная дыра в ловушке на ближайшей орбитали атома кислорода. Состав ростового раствора, независимо от того, основан ли он на щелочных соединениях лития или натрия, определяет ионы, компенсирующие заряд дефектов алюминия. Ионные примеси вызывают беспокойство, поскольку они не связаны прочно и могут мигрировать через кристалл, изменяя локальную упругость решетки и резонансную частоту кристалла. Другие распространенные примеси, вызывающие беспокойство, например железо (III) (интерстициальный), фтор, бор (III), фосфор (V) (замещение), титан (IV) (замещение, повсеместно присутствует в магматическом кварце, реже в гидротермальном кварце) и германий (IV) (замещение ). Ионы натрия и железа могут вызывать включения из акнит и элемеузит кристаллы. Включения воды могут присутствовать в быстрорастущих кристаллах; Вблизи затравки кристалла в большом количестве присутствуют межузельные молекулы воды. Еще один важный дефект — это водородсодержащий дефект роста, когда вместо структуры Si-O-Si образуется пара групп Si-OH, HO-Si; по существу гидролизованная связь. Быстрорастущие кристаллы содержат больше водородных дефектов, чем медленно растущие. Эти дефекты роста служат источником ионов водорода для радиационно-индуцированных процессов и образуют дефекты Al-OH. Примеси германия стремятся улавливать электроны, образовавшиеся во время облучения; катионы щелочного металла затем мигрируют к отрицательно заряженному центру и образуют стабилизирующий комплекс. Также могут присутствовать дефекты матрицы; кислородные вакансии, кремниевые вакансии (обычно компенсируемые 4 атомами водорода или 3 атомами водорода и дыркой), пероксигруппы и т. д. Некоторые дефекты создают локализованные уровни в запрещенной зоне, служащие ловушками заряда; Al (III) и B (III) обычно служат ловушками для дырок, а электронные вакансии, атомы титана, германия и фосфора служат ловушками для электронов. Захваченные носители заряда могут быть освобождены путем нагревания; их рекомбинация является причиной термолюминесценция.

Подвижность межузельных ионов сильно зависит от температуры. Ионы водорода подвижны до 10 К, но ионы щелочных металлов становятся подвижными только при температурах около и выше 200 К. Дефекты гидроксила можно измерить с помощью спектроскопии в ближней инфракрасной области. Захваченные отверстия можно измерить электронный спиновой резонанс. Аль-На + дефекты отображаются в виде пика акустических потерь из-за их движения под действием напряжения; Al-Li + дефекты не образуют потенциальную яму, поэтому их нельзя обнаружить таким образом. [31] Некоторые радиационные дефекты при их термическом отжиге вызывают термолюминесценция; можно выделить дефекты, относящиеся к алюминию, титану и германию. [32]

Стреловидные кристаллы — это кристаллы, подвергшиеся твердотельному электродиффузия процесс очистки. Подметание включает нагрев кристалла до температуры выше 500 ° C в атмосфере, свободной от водорода, с градиентом напряжения не менее 1 кВ / см в течение нескольких часов (обычно более 12). Миграция примесей и постепенное замещение ионов щелочных металлов водородом (при подаче в воздух) или электронными дырками (при перемещении в вакууме) вызывает слабый электрический ток через кристалл; спад этого тока до постоянного значения сигнализирует об окончании процесса. Затем кристаллу дают остыть, пока сохраняется электрическое поле. Примеси концентрируются в катодной области кристалла, которую затем отсекают и выбрасывают. [33] Стреловидные кристаллы обладают повышенной устойчивостью к радиации, так как дозовые эффекты зависят от уровня примесей щелочных металлов; они подходят для использования в устройствах, подвергающихся воздействию ионизирующего излучения, например для ядерной и космической техники. [34] Подметание в вакууме при более высоких температурах и более высокой напряженности поля дает еще более стойкие к радиации кристаллы. [35] Уровень и характер примесей можно измерить с помощью инфракрасной спектроскопии. [36] Кварц может перемещаться как в фазе α, так и в фазе β; развертка в β-фазе происходит быстрее, но фазовый переход может вызвать двойникование. Двойникование можно смягчить, подвергнув кристалл сжимающему напряжению в направлении X или электрическому полю переменного или постоянного тока вдоль оси X, пока кристалл охлаждается в области температур фазового превращения. [35]

Подметание также можно использовать для введения в кристалл примесей одного типа. Кристаллы лития, натрия и водорода используются, например, для изучения поведения кварца.

Очень маленькие кристаллы для высоких частот основной моды могут быть изготовлены с помощью фотолитографии. [25]

Кристаллы можно настроить на точную частоту с помощью лазерная обрезка. Техника, используемая в мире любительское радио небольшого уменьшения частоты кристалла можно добиться, подвергая кристаллы с серебряными электродами парам йод, что вызывает небольшое увеличение массы на поверхности за счет образования тонкого слоя йодид серебра; однако такие кристаллы имели проблематичную долговременную стабильность. Другой широко используемый метод — это электрохимическое увеличение или уменьшение толщины серебряного электрода путем погружения резонатора в лазурит растворенный в воде, лимонной кислоте в воде или воде с солью, и использование резонатора в качестве одного электрода и небольшого серебряного электрода в качестве другого.

Выбирая направление тока, можно увеличивать или уменьшать массу электродов. Подробности опубликованы в журнале «Радио» (3/1978) на UB5LEV.

Не рекомендуется повышать частоту, царапая части электродов, так как это может повредить кристалл и снизить его Добротность. Конденсатор триммеры также может использоваться для регулировки частоты контура генератора.

Другие материалы

Некоторые другие пьезоэлектрические материалы чем кварц может быть использован. К ним относятся монокристаллы танталат лития, ниобат лития, борат лития, берлинит, арсенид галлия, тетраборат лития, фосфат алюминия, оксид висмута-германия, поликристаллический титанат циркония керамика, высокоглиноземистая керамика, кремний -оксид цинка составной, или тартрат дикалия. [37] [38] Некоторые материалы могут быть более подходящими для конкретных приложений. Кристалл генератора также может быть изготовлен путем нанесения материала резонатора на поверхность кремниевого кристалла. [39] Кристаллы фосфат галлия, лангасит, ланганит и langatate примерно в 10 раз более эластичны, чем соответствующие кристаллы кварца, и используются в некоторых генераторах VCXO. [40]

Стабильность

Стабильность частоты определяется величиной кристалла. Q. Она обратно пропорциональна частоте и константе, зависящей от конкретного разреза. Другими факторами, влияющими на Q, являются используемый обертон, температура, уровень возбуждения кристалла, качество отделки поверхности, механические напряжения, налагаемые на кристалл при соединении и установке, геометрия кристалла и прикрепленных электродов, чистота материала и дефекты кристалла, тип и давление газа в камере, мешающие моды, наличие и поглощенная доза ионизирующего и нейтронного излучения.

Температура

Температура влияет на рабочую частоту; Используются различные формы компенсации, от аналоговой компенсации (TCXO) и компенсации микроконтроллера (MCXO) до стабилизации температуры с помощью хрустальная печь (OCXO). Кристаллы обладают температурой гистерезис; частота при данной температуре, достигаемая за счет повышения температуры, не равна частоте при той же температуре, достигаемой за счет снижения температуры. Температурная чувствительность зависит в первую очередь от разреза; резы с температурной компенсацией выбраны так, чтобы минимизировать частотно-температурную зависимость. Возможны специальные разрезы с линейными температурными характеристиками; срез LC используется в кварцевых термометрах. Другими влияющими факторами являются используемый обертон, крепление и электроды, примеси в кристалле, механическая деформация, геометрия кристалла, скорость изменения температуры, термическая предыстория (из-за гистерезиса), ионизирующее излучение и уровень возбуждения.

Кристаллы, как правило, страдают аномалиями в характеристиках частоты / температуры и сопротивления / температуры, известных как провалы активности. Это небольшие колебания сопротивления в сторону понижения или вверх, локализованные при определенных температурах, причем их температурное положение зависит от номинала нагрузочных конденсаторов.

Механическое напряжение

На частоту также влияют механические напряжения. Напряжения могут быть вызваны установкой, соединением и наложением электродов, дифференциальным тепловым расширением крепления, электродов и самого кристалла, дифференциальными термическими напряжениями при наличии температурного градиента, расширением или сжатием соединения. материалов во время отверждения, давлением воздуха, которое передается на давление окружающей среды внутри корпуса кристалла, напряжениями самой кристаллической решетки (неравномерный рост, примеси, дислокации), дефектами поверхности и повреждениями, вызванными во время производства, а также действие силы тяжести на массу кристалла; поэтому на частоту может влиять положение кристалла. Другими факторами, вызывающими динамическое напряжение, являются удары, вибрации и акустический шум. Некоторые порезы менее чувствительны к нагрузкам; разрез SC (с компенсацией напряжения) является примером. Изменения атмосферного давления также могут привести к деформации корпуса, влияя на частоту за счет изменения паразитных емкостей.

Атмосферная влажность влияет на свойства теплопередачи воздуха и может изменять электрические свойства пластмасс за счет диффузии молекул воды в их структуру, изменяя диэлектрические постоянные и электрическая проводимость. [41]

Другими факторами, влияющими на частоту, являются напряжение источника питания, сопротивление нагрузки, магнитные поля, электрические поля (в случае чувствительных к ним порезов, например, порезы SC), наличие и поглощенная доза γ-частиц и ионизирующего излучения, а также возраст кристалла.

Старение

Кристаллы претерпевают медленное постепенное изменение частоты со временем, известное как старение. Здесь задействовано много механизмов. Крепление и контакты могут подвергаться снятию внутренних напряжений. Молекулы загрязнения либо из остаточной атмосферы, выделенный из кристалла, электродов или упаковочных материалов или введенных во время герметизации корпуса может адсорбироваться на поверхности кристалла, изменяя его массу; этот эффект используется в кварцевые микровесы. Состав кристалла может постепенно изменяться за счет выделения газа, диффузии атомов примесей или миграции от электродов, либо решетка может быть повреждена излучением. Медленные химические реакции могут происходить на кристалле или внутри него, либо на внутренних поверхностях корпуса. Материал электрода, например хром или алюминий, могут реагировать с кристаллом, создавая слои оксида металла и кремния; эти слои интерфейса могут претерпевать изменения во времени. Давление в корпусе может измениться из-за изменения атмосферного давления, температуры, утечек или выделения газа из материалов внутри. Факторы вне самого кристалла, например, старение схемы генератора (например, изменение емкостей) и дрейф параметров кристаллической печи. Состав внешней атмосферы также может влиять на старение; водород может диффундировать через никелевый корпус. Гелий может вызывать аналогичные проблемы, когда он диффундирует через стеклянные корпуса стандарты рубидия. [42]

Золото — предпочтительный электродный материал для низковольтных резонаторов; его адгезия к кварцу достаточно сильная, чтобы поддерживать контакт даже при сильных механических ударах, но достаточно слабая, чтобы не выдерживать значительных градиентов деформации (в отличие от хрома, алюминия и никеля). Золото также не образует оксидов; он адсорбирует органические загрязнения из воздуха, но их легко удалить. Однако только золото может расслаиваться; поэтому иногда используется слой хрома для улучшения прочности связывания. Серебро и алюминий часто используются в качестве электродов; однако оба образуют оксидные слои со временем, что увеличивает массу кристалла и снижает частоту. Серебро можно пассивировать путем экспонирования йод пары, образующие слой йодид серебра. Алюминий окисляется легко, но медленно, пока не будет достигнута толщина около 5 нм; повышенная температура при искусственном старении существенно не увеличивает скорость образования оксида; толстый оксидный слой может быть сформирован во время производства путем анодирование. [43] Воздействие на посеребренный кристалл парами йода также можно использовать в любительских условиях для небольшого понижения частоты кристалла; частоту можно также увеличить, соскребая части электродов, но это несет в себе риск повреждения кристалла и потери добротности.

Смещение постоянного напряжения между электродами может ускорить начальное старение, вероятно, за счет индуцированной диффузии примесей через кристалл. Размещение конденсатора последовательно с кристаллом и параллельного резистора в несколько мегаом может минимизировать такие напряжения.

Механическое повреждение

Кристаллы чувствительны к шок. Механическое напряжение вызывает кратковременное изменение частоты генератора из-за чувствительности кристалла к напряжению и может привести к постоянному изменению частоты из-за вызванных ударом изменений монтажных и внутренних напряжений (если пределы упругости механического частей), десорбция загрязнений с поверхностей кристалла или изменение параметров схемы генератора. Удары большой силы могут оторвать кристаллы от их опор (особенно в случае больших низкочастотных кристаллов, подвешенных на тонких проволоках) или вызвать растрескивание кристалла. Кристаллы без дефектов поверхности обладают высокой ударопрочностью; химическая полировка может производить кристаллы, способные пережить десятки тысяч грамм. [44]

Колебания частоты

Кристаллы также страдают от незначительных кратковременных колебаний частоты. Основными причинами такого шума являются, например, тепловой шум (что ограничивает уровень шума), рассеяние фононов (под влиянием дефектов решетки), адсорбция / десорбция молекул на поверхности кристалла, шум в контурах генератора, механические удары и вибрации, ускорение и изменение ориентации, колебания температуры и снятие механических напряжений. Краткосрочная стабильность измеряется четырьмя основными параметрами: Вариация Аллана (наиболее распространенный, указанный в технических характеристиках генераторов), фазовый шум, спектральная плотность отклонений фазы и спектральная плотность относительных отклонений частоты. Эффекты ускорения и вибрации имеют тенденцию преобладать над другими источниками шума; Устройства с поверхностной акустической волной обычно более чувствительны, чем устройства с объемной акустической волной (BAW), а разрезы с компенсацией напряжений еще менее чувствительны. Относительная ориентация вектора ускорения по отношению к кристаллу существенно влияет на чувствительность кристалла к вибрации. Для высокостабильных кристаллов могут использоваться механические виброизоляционные опоры.

Фазовый шум играет важную роль в частотный синтез системы с умножением частоты; умножение частоты на N увеличивает мощность фазового шума на N 2 . Умножение частоты в 10 раз увеличивает величину фазовой ошибки в 10 раз. Это может иметь катастрофические последствия для систем, использующих ФАПЧ или же ФСК технологии.

Радиационный ущерб

Кристаллы несколько чувствительны к радиационное повреждение. Природный кварц намного более чувствителен, чем искусственно выращенные кристаллы, и чувствительность можно дополнительно снизить, развернув кристалл — нагревая кристалл до температуры не менее 400 ° C в атмосфере без водорода в электрическом поле не менее 500 В / см в течение минимум 12 часов. Такие развернутые кристаллы очень слабо реагируют на устойчивое ионизирующее излучение. Немного Si (IV) атомы заменены на Al (III) примесей, каждая из которых имеет компенсирующий Ли + или же Na + катион поблизости. Ионизация производит электронно-дырочные пары; дырки захватываются решеткой около атома Al, образующиеся атомы Li и Na слабо захватываются вдоль оси Z; тогда изменение решетки вблизи атома Al и соответствующей упругой постоянной вызывает соответствующее изменение частоты. Подметание удаляет Ли + и Na + ионы из решетки, уменьшая этот эффект. Аль 3+ сайт также может улавливать атомы водорода. Все кристаллы имеют кратковременный отрицательный сдвиг частоты после воздействия рентгеновский снимок пульс; затем частота постепенно возвращается назад; естественный кварц достигает стабильной частоты через 10–1000 секунд, с отрицательным смещением частоты до облучения, искусственные кристаллы возвращаются к частоте немного ниже или выше, чем до облучения, развернутые кристаллы отжигаются практически до исходной частоты. Отжиг происходит быстрее при более высоких температурах. Подметание в вакууме при более высоких температурах и напряженности поля может еще больше снизить реакцию кристалла на импульсы рентгеновского излучения. [35] Последовательное сопротивление кристаллов без развертки увеличивается после дозы рентгеновского излучения и отжигается до несколько более высокого значения для природного кварца (требующего соответствующего запаса усиления в цепи) и обратно до значения до облучения для синтетических кристаллов. Последовательное сопротивление развернутых кристаллов не изменяется. Увеличение последовательного сопротивления ухудшает Q; слишком большое увеличение может остановить колебания. Нейтронное излучение вызывает изменения частоты, вводя дислокации в решетку, выбивая атомы, единственное быстрый нейтрон может вызвать множество дефектов; частота среза SC и AT возрастает примерно линейно с поглощенной дозой нейтронов, в то время как частота срезов BT уменьшается. [45] Нейтроны также изменяют температурно-частотные характеристики. Изменение частоты при низких дозах ионизирующего излучения пропорционально выше, чем при более высоких дозах. Излучение высокой интенсивности может остановить осциллятор, вызвав фотопроводимость в кристалле и транзисторах; с развернутым кристаллом и правильно спроектированной схемой колебания могут возобновиться в течение 15 микросекунд после всплеска излучения. Кристаллы кварца с высоким содержанием примесей щелочных металлов теряют Q при облучении; На добротность развернутых искусственных кристаллов это не влияет. Облучение более высокими дозами (более 10 5 рад) снижает чувствительность к последующим дозам. Очень низкие дозы облучения (ниже 300 рад) имеют непропорционально больший эффект, но эта нелинейность насыщается при более высоких дозах. При очень высоких дозах радиационный отклик кристалла также насыщается из-за конечного числа примесных узлов, на которые можно воздействовать. [34]

Магнитные поля мало влияют на сам кристалл, так как кварц диамагнитный; вихревые токи или же в цепях могут наведаться переменные напряжения, и это может повлиять на магнитные части крепления и корпуса.

После включения кристаллам требуется от нескольких секунд до минут, чтобы «нагреться» и стабилизировать свою частоту. OCXO с термостатом обычно требуется 3–10 минут для нагрева до достижения теплового равновесия; Генераторы без духовки стабилизируются в течение нескольких секунд, поскольку несколько милливатт, рассеиваемых в кристалле, вызывают небольшой, но заметный уровень внутреннего нагрева. [46]

Кристаллы не имеют внутренних механизмов разрушения; некоторые работали в устройствах десятилетиями. Однако отказы могут быть вызваны дефектами соединения, негерметичными корпусами, коррозией, сдвигом частоты из-за старения, разрушением кристалла из-за слишком сильного механического удара или радиационным повреждением при использовании кварца без очистки. [47] Кристаллы также могут быть повреждены из-за перегрузки.

Кристаллы должны управляться на соответствующем уровне привода. В то время как срезы AT имеют тенденцию быть довольно щадящими, поскольку при перегрузке ухудшаются только их электрические параметры, стабильность и характеристики старения, низкочастотные кристаллы, особенно кристаллы изгибного режима, могут разрушаться при слишком высоких уровнях возбуждения. Уровень возбуждения определяется как количество мощности, рассеиваемой кристаллом. Подходящие уровни возбуждения составляют около 5 мкВт для изгибных мод до 100 кГц, 1 мкВт для основных мод на 1–4 МГц, 0,5 мкВт для основных мод 4–20 МГц и 0,5 мкВт для обертонных мод на 20–200 МГц. [48] Слишком низкий уровень возбуждения может вызвать проблемы с запуском генератора. Низкие уровни возбуждения лучше для большей стабильности и меньшего энергопотребления генератора. Более высокие уровни привода, в свою очередь, уменьшают воздействие шума за счет увеличения соотношение сигнал шум. [49]

Стабильность кристаллов АТ-среза снижается с увеличением частоты. Для более точных высоких частот лучше использовать кристалл с более низкой основной частотой, работающий на обертоне.

Старение логарифмически уменьшается со временем, причем самые большие изменения происходят вскоре после изготовления. Искусственное старение кристалла путем длительного хранения при температуре от 85 до 125 ° C может повысить его долгосрочную стабильность.

Плохо спроектированная схема генератора может внезапно начать колебаться на обертон. В 1972 г. поезд в г. Фремонт, Калифорния разбился из-за неисправного генератора. Несоответствующее значение емкостного конденсатора привело к перегрузке кристалла на плате управления, скачку до обертона и к ускорению поезда вместо замедления. [50]

Хрустальные огранки

Пластину резонатора можно вырезать из исходного кристалла множеством различных способов. Ориентация среза влияет на характеристики старения кристалла, стабильность частоты, тепловые характеристики и другие параметры. Эти разрезы работают на объемной акустической волне (BAW); для более высоких частот, поверхностная акустическая волна (SAW) устройства используются.

Резать Диапазон частот Режим Углы Описание

В 0,5–300 МГц сдвиг по толщине (c-мода, медленный квазисдвиг) 35 ° 15 ', 0 ° ( 10 МГц) Наиболее распространенная огранка, разработана в 1934 году. Пластина содержит ось x кристалла и наклонена на 35 ° 15 'от оси z (оптическая). График частота-температура представляет собой синусоидальную кривую с точка перегиба примерно при 25–35 ° C. Имеет постоянную частоту 1,661 МГц⋅мм. [52] Большинство (по оценкам, более 90%) кристаллов относятся к этому варианту. [53] Используется для генераторов, работающих в более широком диапазоне температур, от 0,5 до 200 МГц; также используется в генераторах с духовым управлением. [54] Чувствителен к механическим нагрузкам, вызванным внешними силами или перепадами температуры. Кристаллы со сдвигом толщины обычно работают в основном режиме на частотах 1–30 МГц, 3-я обертон на 30–90 МГц и 5-й обертон на 90–150 МГц; [55] согласно другим источникам, они могут быть сделаны для работы в основном режиме до 300 МГц, хотя этот режим обычно используется только до 100 МГц. [56] и, согласно еще одному источнику, верхний предел основной частоты среза АТ ограничен 40 МГц для заготовок малого диаметра. [52] Может быть изготовлен как в виде обычного круглого диска, так и в виде полоскового резонатора; последний допускает гораздо меньший размер. Толщина кварцевой заготовки составляет около (1,661 мм) / (частота в МГц), при этом частота несколько смещается при дальнейшей обработке. [57] Третий обертон примерно в 3 раза больше основной частоты; обертоны превышают эквивалентную частоту основной частоты примерно на 25 кГц на обертон. Кристаллы, предназначенные для работы в режимах обертона, должны быть специально обработаны для обеспечения плоскопараллельности и чистоты поверхности для достижения наилучших характеристик при заданной частоте обертона. [48]

SC 0,5–200 МГц сдвиг по толщине 35°15', 21°54' Специальная резка (с компенсацией напряжения), разработанная в 1974 году, представляет собой резку с двойным вращением (35 ° 15 'и 21 ° 54') для стабилизированных печи осцилляторов с низким фазовый шум и хорошие характеристики старения. Менее чувствителен к механическим воздействиям. Имеет более высокую скорость прогрева, более высокую добротность, лучший фазовый шум вблизи, меньшую чувствительность к пространственной ориентации против вектора силы тяжести и меньшую чувствительность к вибрациям. [58] Его частотная постоянная составляет 1,797 МГц⋅ мм. Связанные моды хуже, чем срез AT, сопротивление обычно выше; гораздо больше внимания требуется для преобразования между обертонами. Работает на тех же частотах, что и срез AT. Кривая частота-температура представляет собой нисходящую параболу третьего порядка с точкой перегиба при 95 ° C и гораздо более низкой температурной чувствительностью, чем разрез AT. Подходит для OCXO, например, в космические системы и системы GPS. Менее доступен, чем разрез AT, сложнее в производстве; улучшение параметров на порядок заменяется на порядок более жесткими допусками ориентации кристалла. [59] Характеристики старения в 2–3 раза лучше, чем у срезов AT. Менее чувствителен к уровню движения. Гораздо меньше спадов активности. Менее чувствителен к геометрии пластины. Требуется печь, плохо работает при температуре окружающей среды, так как частота быстро падает при более низких температурах. Имеет в несколько раз меньшую подвижную емкость, чем соответствующий разрез AT, что снижает возможность регулировки частоты кристалла подключенным конденсатором; это ограничивает использование в обычных устройствах TCXO и VCXO, а также в других приложениях, в которых частота кристалла должна регулироваться. [60] [61] Температурные коэффициенты для основной частоты отличаются от ее третьего обертона; когда кристалл работает на обеих частотах одновременно, результирующая частота биений может использоваться для измерения температуры, например, в кварцевые генераторы с компенсацией микрокомпьютера. Чувствителен к электрическим полям. Чувствителен к воздушному демпфированию, поэтому для получения оптимальной добротности его необходимо упаковывать в вакууме. [43] Температурный коэффициент для b-режима составляет -25 ppm / ° C, для двойного режима от 80 до более 100 ppm / ° C. [62]

BT 0,5–200 МГц сдвиг по толщине (b-мода, быстрый квази-сдвиг) −49°8', 0° Специальный разрез, похожий на разрез AT, за исключением того, что пластина разрезается под углом 49 ° от оси z. Работает в режиме сдвига по толщине в b-режиме (быстрый квазисдвиг). Он имеет хорошо известные и повторяемые характеристики. [63] Имеет постоянную частоту 2,536 МГц⋅мм. Имеет худшие температурные характеристики, чем разрез АТ. Из-за более высокой постоянной частоты может использоваться для кристаллов с более высокими частотами, чем срез AT, до более 50 МГц. [52]

ЭТО сдвиг по толщине Специальная резка представляет собой резку с двойным вращением с улучшенными характеристиками для стабилизированных в печи осцилляторов. Работает в режиме сдвига по толщине. Кривая частота-температура представляет собой нисходящую параболу третьего порядка с точкой перегиба при 78 ° C. Редко используемый. Имеет такие же характеристики и свойства, что и резка SC, больше подходит для более высоких температур.

FC сдвиг по толщине Специальная резка, резка с двойным вращением с улучшенными характеристиками для термостабилизированных генераторов. Работает в режиме сдвига по толщине. Кривая частота-температура представляет собой нисходящую параболу третьего порядка с точкой перегиба при 52 ° C. Редко используемый. Используется в генераторах с духовым управлением; печь можно настроить на более низкую температуру, чем для разрезов AT / IT / SC, до начала плоской части кривой температура-частота (которая также шире, чем для других разрезов); когда температура окружающей среды достигает этой области, печь выключается, и кристалл работает при температуре окружающей среды, сохраняя при этом разумную точность.Таким образом, этот разрез сочетает в себе функцию энергосбережения, обеспечивающую относительно низкую температуру печи, с разумной стабильностью при более высоких температурах окружающей среды. [64]

АК сдвиг по толщине разрез с двойным вращением с лучшими температурно-частотными характеристиками, чем разрезы AT и BT, и с более высоким допуском к кристаллографической ориентации, чем разрезы AT, BT и SC (в 50 раз по сравнению со стандартным разрезом AT, согласно расчетам). Работает в режиме сдвига по толщине. [59]

CT 300–900 кГц лицо сдвиг 38°, 0° Кривая частота-температура представляет собой нисходящую параболу.

DT 75–800 кГц лицо сдвиг −52°, 0° Аналогично КТ. Кривая частота-температура представляет собой нисходящую параболу. Температурный коэффициент ниже, чем у CT резки; там, где это позволяет частотный диапазон, DT предпочтительнее CT. [52]

SL торцевой −57°, 0°

GT 0,1–3 МГц по ширине 51°7' Его температурный коэффициент между -25… + 75 ° C близок к нулю из-за эффекта компенсации между двумя режимами. [52]

E, 5 ° X 50–250 кГц продольный Имеет достаточно низкий температурный коэффициент, широко используется в кварцевых фильтрах низких частот. [52]

MT 40–200 кГц продольный

ET 66°30'

FT −57°

NT 8–130 кГц длина-ширина прогиб (изгиб)

XY, камертон 3–85 кГц прогиб по длине и ширине Доминирующий низкочастотный кристалл, поскольку он меньше, чем другие низкочастотные разрезы, менее дорогой, имеет низкий импеданс и низкое отношение Co / C1. Основное применение — кристалл RTC на 32,768 кГц. Его второй обертон примерно в шесть раз больше основной частоты. [48]

ЧАС 8–130 кГц прогиб по длине и ширине Широко используется для широкополосных фильтров. Температурный коэффициент линейный.

J 1–12 кГц прогиб по длине и толщине J-образный разрез состоит из двух соединенных вместе кварцевых пластин, выбранных для создания противофазного движения для данного электрического поля.

RT Резка с двойным вращением.

SBTC Резка с двойным вращением.

TS Резка с двойным вращением.

X 30 ° Резка с двойным вращением.

LC сдвиг по толщине 11.17°/9.39° Резка с двойным вращением («линейный коэффициент») с линейной температурно-частотной характеристикой; может использоваться как датчик в кристаллических термометрах. [65] Температурный коэффициент составляет 35,4 ppm / ° C. [62]

AC 31° Температурно-чувствительный, может использоваться как датчик. Одномодовый с крутыми частотно-температурными характеристиками. [66] Температурный коэффициент составляет 20 ppm / ° C. [62]

до н.э −60° Чувствительный к температуре. [66]

NLSC Чувствительный к температуре. [66] Температурный коэффициент составляет около 14 ppm / ° C. [62]

Y Температурно-чувствительный, может использоваться как датчик. Одномодовый с крутыми частотно-температурными характеристиками. [66] Плоскость пластины перпендикулярна оси Y кристалла. [67] Также называемый параллельно или же 30 градусов. Температурный коэффициент составляет около 90 ppm / ° C. [62]

Икс Используется в одном из первых кварцевых генераторов в 1921 году У. Г. Кэди и в качестве генератора на 50 кГц в первых кварцевых часах Хортона и Маррисона в 1927 году. [68] Плоскость пластины перпендикулярна оси X кристалла. Также называемый перпендикуляр, нормальный, Кюри, нулевой угол, или же ультразвуковой. [69]

Буквой T в названии разреза отмечен разрез с температурной компенсацией, разрез, ориентированный таким образом, чтобы температурные коэффициенты решетки были минимальными; разрезы FC и SC также имеют температурную компенсацию.

Резцы высокой частоты крепятся за края, обычно на пружинах; жесткость пружины должна быть оптимальной, так как если она слишком жесткая, механические удары могут передаваться на кристалл и вызывать его разрушение, а слишком низкая жесткость может позволить кристаллу столкнуться с внутренней частью упаковки при воздействии механический удар и поломка. Полосовые резонаторы, обычно АТ-разрезы, меньше по размеру и поэтому менее чувствительны к механическим ударам. При той же частоте и обертоне полоса имеет меньшую тяговую способность, более высокое сопротивление и более высокий температурный коэффициент. [70]

Низкочастотные разрезы устанавливаются в узлах, где они практически неподвижны; в таких точках с каждой стороны между кристаллом и выводами прикреплены тонкие проволоки. Большая масса кристалла, подвешенного на тонких проволоках, делает сборку чувствительной к механическим ударам и вибрациям. [52]

Кристаллы обычно помещают в герметичные стеклянные или металлические корпуса, заполненные сухой и инертной атмосферой, обычно вакуумом, азотом или гелием. Также можно использовать пластиковые корпуса, но они негерметичны, и вокруг кристалла необходимо создать еще одно вторичное уплотнение.

Возможны несколько конфигураций резонатора, в дополнение к классическому способу прямого присоединения выводов к кристаллу. Например. то BVA резонатор (Boîtier à Vieillissement Amélioré, Вложение для улучшенного старения), [71] разработан в 1976 г .; детали, влияющие на колебания, выточены из монокристалла (что снижает монтажное напряжение), а электроды нанесены не на сам резонатор, а на внутренние стороны двух конденсаторных дисков, сделанных из соседних пластин кварца из одного стержня. , образуя трехслойный сэндвич без напряжения между электродами и вибрирующим элементом. Зазор между электродами и резонатором действует как два небольших последовательных конденсатора, что делает кристалл менее чувствительным к воздействиям цепи. [72] Архитектура устраняет влияние поверхностных контактов между электродами, ограничений в монтажных соединениях и проблемы, связанные с миграцией ионов от электродов в решетку вибрирующего элемента. [73] Полученная конфигурация является прочной, устойчивой к ударам и вибрации, устойчивой к ускорению и ионизирующему излучению и имеет улучшенные характеристики старения. Обычно используется разрез AT, хотя существуют и варианты разреза SC. Резонаторы BVA часто используются в космических аппаратах. [74]

В 1930-1950-х годах люди довольно часто настраивали частоту кристаллов вручную. Кристаллы измельчали с помощью мелкодисперсной абразивной суспензии или даже зубной пасты, чтобы увеличить их частоту. Небольшое уменьшение на 1–2 кГц, когда кристалл находился над землей, было возможно путем маркировки грани кристалла грифелем карандаша за счет уменьшенной добротности Q. [75]

Частота кристалла слегка регулируется («растягивается») путем изменения присоединенных емкостей. А варактор Диод, емкость которого зависит от приложенного напряжения, часто используется в кварцевых генераторах с регулируемым напряжением VCXO. Кристаллические срезы обычно AT или редко SC и работают в основном режиме; величина доступного отклонения частоты обратно пропорциональна квадрату числа обертона, поэтому третий обертон имеет только одну девятую тягового усилия основной моды. Срезы SC, будучи более стабильными, значительно менее растягиваются. [76]

Обозначения схем и сокращения

На принципиальных электрических схемах, кристаллы обозначаются буквой класса Y (Y1, Y2 и т. Д.). Генераторы, будь то кварцевые генераторы или другие, обозначаются буквой класса. грамм (G1, G2 и т. Д.). [77] [78] Кристаллы также могут быть обозначены на схеме значком Икс или же XTAL, или кварцевый генератор с XO.

Похожие публикации:

Чем замазать подрозетник в бетонной стене

Как работает магнитная пушка

Обм чья компания

Как соединить гофру между собой для проводов