Кварцевый генератор когда изобрели

Время перемен: кварцевые генераторы уступают дорогу МЭМС

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.

Перевод: Mikhail R по заказу РадиоЛоцман

Кварцевые резонаторы и кварцевые генераторы: принцип работы и основные схемы

Генератор — это механическая или электронная конструкция, которая создает колебания в зависимости от нескольких переменных. Хороший генератор формирует колебания со стабильной частотой .

В случае генераторов RC (резистор-конденсатор) или RLC (резистор-индуктор-конденсатор) они не являются хорошим выбором там, где необходимы стабильные и точные колебания. Изменения температуры влияют на нагрузку и линию электропитания, что, в свою очередь, влияет на стабильность схемы генератора. Стабильность можно повысить до определенного уровня в случае схем RC и RLC, но в отдельных случаях этого улучшения все равно недостаточно.

В такой ситуации используются кварцевые кристаллы. Кварц – минерал, состоящий из атомов кремния и кислорода. Он реагирует, когда источник напряжения подается на кристалл кварца. Принцип его действия основан на пьезоэлектрическом эффекте. Когда к нему прикладывается источник напряжения, он меняет форму и создает механические силы, а механические силы возвращаются обратно и производят электрический заряд.

Поскольку кристаллы кварца преобразуют электрическую энергию в механическую и механическую в электрическую, их называют преобразователями.

Кварцевый кристалл и его эквивалентная схема

Кристалл кварца изготовлен из тонкого куска кварцевой пластины, плотно прилегающего и устанавливаемого между двумя параллельными металлизированными поверхностями. Металлизированные поверхности предназначены для электрических соединений, а физический размер и плотность кварца, а также толщина строго контролируются, поскольку изменения формы и размера напрямую влияют на частоту колебаний. После изготовления кристалла его частота уже не может быть изменена. Эта частота кварца называется его характеристической частотой.

На следующем рисунке представлена эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора (кристалла).

Как мы видим, она включает 4 пассивных компонента: два конденсатора C1 и C2, дроссель L1 и резистор R1. C1, L1, R1 подключаются последовательно, а C2 – параллельно.

Последовательная цепь, состоящая из одного конденсатора, одного резистора и одной катушки индуктивности, символизирует контролируемое поведение и стабильную работу кристалла, а параллельный конденсатор C2 представляет собой параллельную емкость цепи или эквивалентного кристалла.

На рабочей частоте C1 резонирует с индуктивностью L1. Эта рабочая частота называется частотой серии кристаллов (fs). Благодаря этой последовательной частоте точка вторичной частоты распознается как параллельный резонанс. L1 и C1 также резонируют с параллельным конденсатором C2. Параллельный конденсатор C2 часто обозначают C0 и называют шунтирующей емкостью кварцевого кристалла.

Выходное сопротивление кристалла в зависимости от частоты

Если мы применим формулу реактивного сопротивления к двум конденсаторам, то для последовательного конденсатора C1 емкостное реактивное сопротивление будет:

где F — это частота, а C1 — значение последовательной емкости.

Аналогичная формула применима и для параллельного конденсатора, емкостное реактивное сопротивление параллельного конденсатора будет равно:

где F — частота, а C2 — значение параллельной емкости.

В случае расчета последовательного и параллельного импеданса формулы будут следующими:

Если мы посмотрим график зависимости между выходным импедансом и частотой, мы увидим изменения импеданса.

На представленном рисунке мы видим кривую импеданса кварцевого резонатора, а также видим, как этот наклон меняется при изменении частоты. Есть две характерные точки на этом графике: одна — точка последовательной резонансной частоты, а другая — точка параллельной резонансной частоты .

В точке последовательной резонансной частоты импеданс становится минимальным. Последовательный конденсатор C1 и последовательный индуктор L1 создают последовательный резонанс.

В этой точке последовательного резонанса происходит следующее:

1. Импеданс минимален по сравнению с другими частотными периодами.
2. Импеданс равен сопротивлению последовательного резистора.
3. Ниже этой точки кристалл действует как емкостная форма.

Затем частота изменяется и наклон медленно увеличивается до максимальной точки на параллельной резонансной частоте, в это время, прежде чем достичь точки параллельной резонансной частоты, кристалл действует как последовательный индуктор.

После достижения точки параллельной частоты наклон импеданса достигает максимального значения. Параллельный конденсатор C2 и последовательный индуктор создают LC-цепь, в результате чего выходное сопротивление становится высоким.

Именно так кристалл ведет себя как индуктор или как конденсатор в последовательном и параллельном резонансе. Кристалл может работать на обеих резонансных частотах, но не одновременно. Для работы необходимо настроиться на какой-то конкретный вариант.

Реактивное сопротивление кристалла в зависимости от частоты

Последовательное реактивное сопротивление цепи можно измерить по следующей формуле:

где R — значение сопротивления;

X_L1 — последовательная индуктивность цепи

X_C1 — последовательная емкость цепи.

Параллельное емкостное реактивное сопротивление цепи будет равно:

Параллельное реактивное сопротивление цепи будет равно:

Его график будет выглядеть следующим образом:

Как мы видим из графика, последовательное реактивное сопротивление в точке последовательного резонанса обратно пропорционально C1, в точке от fs до fp кристалл действует как индуктивность, поскольку в этой точке две параллельные емкости становятся незначительными .

С другой стороны, кристалл будет иметь емкостную форму, когда частота находится за пределами точек fs и fp.

Мы можем рассчитать последовательную резонансную частоту и параллельную резонансную частоту, используя следующие две формулы:

Q-фактор для кристалла кварца

Q — это краткая форма слова Quality («Качество»). Это важный аспект резонанса кварцевого резонатора. Другое его название — коэффициент добротности, он определяет стабильность частоты кристалла. В большинстве случаев добротность кристалла кварца находится в диапазоне от 20 000 до более 100 000. Иногда встречаются кварцы с добротностью более 200 000.

Добротность кристалла кварца можно рассчитать по следующей формуле:

где X_L — реактивное сопротивление кристалла, а R — его активное сопротивление .

Пример расчета характеристик кварцевого резонатора

Исходные данные для расчета:

R1 = 6.8R

C1 = 0.09970pF

L1 = 3mH

C2 = 30pF

Последовательная резонансная частота кристалла будет равна:

Параллельная резонансная частота кристалла fp будет равна:

Итак, теперь мы знаем, что последовательная резонансная частота рассматриваемого нами кристалла кварца составляет 9,20 МГц, а его параллельная резонансная частота — 9,23 МГц.

Добротность нашего кристалла будет равна:

Схемы кварцевых генераторов

Кварцевые генераторы основаны на использовании в них кварцевых резонаторов, благодаря чему они могут формировать колебания, отличающиеся высокой стабильностью частоты (по сравнению с другими типами генераторов).

Далее мы рассмотрим несколько наиболее популярных схем кварцевых генераторов

Кварцевый генератор Колпитца

Это схема кварцевого генератора, построенная с использованием биполярного транзистора или различных типов полевых транзисторов. Для обратной связи в генераторе Колпитца используется емкостный делитель напряжения. Транзистор Q1 имеет схему с общим эмиттером. Резисторы R1 и R2 используются для смещения транзистора, а C1 используется в качестве развязывающего конденсатора, который защищает базу от радиочастотных помех.

В этой конфигурации кристалл будет действовать как шунт благодаря соединению коллектора с землей. Это параллельная резонансная конфигурация. Конденсаторы С2 и С3 используются для обратной связи. Кристалл Q2 включен в параллельный резонансный контур.

Выходное усиление в этой конфигурации низкое, чтобы избежать избыточного рассеивания мощности в кристалле.

Кварцевый генератор Пирса

В этой схеме кварцевого генератора транзистор заменяется на полевой транзистор с обратным затвором (JFET) для усиления, где JFET имеет очень высокие входные импедансы когда кристалл подключен к стоку-затвору с помощью конденсатора.

C4 обеспечивает необходимую обратную связь в представленной схеме генератора. Эта обратная связь представляет собой положительную обратную связь, которая обеспечивает сдвиг фазы на 180 градусов на резонансной частоте. R3 управляет обратной связью, а кристалл кварца обеспечивает формирование колебаний.

Кварцевый генератор Пирса требует минимального количества компонентов, поэтому он является предпочтительным выбором в условиях ограниченного объема устройства. Цифровые часы, таймеры и различные типы часов используют схему кварцевого генератора Пирса. Размах амплитуды выходной синусоидальной волны ограничен диапазоном напряжения полевого транзистора (JFET).

КМОП-генератор

Это базовый генератор, в котором используется конфигурация кристалла с параллельным резонансом, может быть изготовлен с использованием КМОП-инвертора. Инвертор CMOS можно использовать для достижения необходимой амплитуды. Он состоит из инвертирующего триггера Шмитта, такого как 4049, 40106 или микросхемы транзисторно-транзисторной логики (TTL) 74HC19 и т. д.

На представленном рисунке использован 74HC19N , который действует как триггер Шмитта в инвертирующей конфигурации. Кристалл обеспечит необходимые колебания последовательной резонансной частоты. R1 является резистором обратной связи для КМОП и обеспечивает высокую добротность с высоким коэффициентом усиления. Второй 74HC19N является усилителем, обеспечивающим достаточную мощность для нагрузки.

Инвертор работает с фазовым сдвигом на выходе 180 градусов, а Q1, C2, C1 обеспечивают дополнительный фазовый сдвиг на 180 градусов. Во время колебательного процесса фазовый сдвиг всегда остается на 360 градусов.

Этот кварцевый генератор КМОП обеспечивает выходной сигнал прямоугольной формы . Максимальная выходная частота фиксируется характеристикой переключения КМОП-инвертора. Выходную частоту можно изменить, используя значение конденсаторов и значение резистора. Значения C1 и C2 должны быть одинаковыми.

Обеспечение тактовой частоты микропроцессора с помощью кристаллов

Поскольку кварцевый генератор используется в различных целях, включая цифровые часы, таймеры и т. д., он также является подходящим выбором для обеспечения стабильных тактовых импульсов микропроцессора и центральных процессоров (ЦП).

Микропроцессору и ЦП для работы необходим стабильный тактовый вход. Для этих целей широко используется кристалл кварца. Кварцевый кристалл (резонатор) обеспечивает высокую точность и стабильность по сравнению с другими генераторами — RC, LC или RLC.

Обычно тактовая частота, используемая для микроконтроллера или процессора, находится в диапазоне от кГц до МГц. Эта тактовая частота определяет, насколько быстро процессор может обрабатывать данные.

Для достижения этой частоты на входе генератора соответствующего MCU или CPU используется последовательный кристалл с двумя конденсаторами одинакового номинала как представлено на следующем рисунке.

На этом рисунке мы видим, что кристалл с двумя конденсаторами образует сеть и подключается к микроконтроллеру или центральному процессору через входные контакты OSC1 и OSC2. Обычно все микроконтроллеры или процессоры содержат эти два контакта. В некоторых случаях доступны два типа контактов OSC. Один предназначен для первичного генератора для генерации тактовой частоты, а другой — для вторичного генератора, который используется для других вторичных задач, где необходима вторичная тактовая частота. Емкость конденсатора варьируется от 10 пФ до 42 пФ, широко используется все, что находится между ними, кроме 15 пФ, 22 пФ и 33 пФ.

Разбираем кварцевый генератор и его крохотную интегральную схему

Кварцевый генератор – важный электронный компонент, обеспечивающий очень точную генерацию тактовой частоты за небольшие деньги. Из-за пьезоэлектрического эффекта его электрические свойства меняются в процессе вибрации. Поскольку можно сделать кристалл, который будет вибрировать с определённой частотой, кварцевые генераторы очень полезны для множества применений. Появились они в 1920-х, и сначала обеспечивали точную генерацию волн для радиостанций. В 1970-м году произошла революция наручных часов, когда в них стали использовать кварцевые генераторы высокой точности. Компьютеры, от ENIAC 1940-х годов и до сей поры используют кварцевые генераторы для генерации тактовой частоты.

В современных ПК всё ещё используются кварцевые генераторы, но для получения многогигагерцовых тактовых частот применяются более сложные технологии. ПК использует кристалл с частотой гораздо меньшей, чем рабочая, и умножает её при помощи фазовой автоподстройки частоты. Компьютеры часто используют кристалл на 14 318, поскольку эту частоту использовали в старых телевизорах, и такие кристаллы были недорогими и широко распространёнными.

Для того, чтобы кристалл вибрировал, его схеме требуются дополнительные компоненты. В 1970-х набрали популярность модульные кварцевые генераторы – в этих компактных и лёгких в использовании микросборках комбинировались сам кристалл, ИС и дискретные компоненты. Мне стало интересно, как работает один из таких модулей, поэтому я вскрыл один из них и провёл реверс-инжиниринг его чипа. В данном посте я расскажу, как он работает, и опишу крохотную КМОП-схему, им управляющую. Оказалось, что внутри модуля происходит больше интересного, чем можно было ожидать.

Модуль генератора

Я изучал модуль от карточки для IBM PC. Модуль находится в прямоугольном металлическом корпусе с 4-мя контактами, защищающем электронику от электрического шума (это Rasco Plus в прямоугольном корпусе справа на фото, а не квадратная ИС от IBM). Модуль генерирует сигнал в 4,7174 МГц, что следует из надписи на его корпусе.

Почему же карточка использует кристалл с такой необычной частотой — 4,7174 МГц? В 1970-х IBM 3270 был очень популярным терминалом с ЭЛТ. Терминалы соединялись коаксиальным кабелем и использовали протокол Interface Display System Standard, работавший с тактовой частотой в 2,3587 МГц. В конце 1980-х IBM производила интерфейсные карточки для подсоединения IBM PC к сети 3270. Мой кристалл как раз с одной из таких карточек (тип 56X4927), и частота кристалла равняется 4,7174 МГц – ровно в два раза больше, чем 2,3587 МГц.

Модуль кварцевого генератора находится справа внизу. Надпись на корпусе: Rasco Plus. 4.7174 MHZ, Motorola 1987. Квадратный модуль слева – это ИС от IBM.

Я вскрыл корпус модуля, чтобы посмотреть на его гибридную схему. Я ожидал увидеть там кварцевый кристалл, напоминающий драгоценный камень в шкатулке, однако обнаружил, что кварцевые генераторы используют очень тонкий кварцевый диск. Я повредил его при вскрытии, поэтому у него не хватает кусочка справа вверху. Он виден в левой части фото – с двух сторон к нему подходят металлические электроды. Те, в свою очередь, соединяются с небольшими штырьками, на которых кристалл поднят над поверхностью корпуса, чтобы он мог свободно вибрировать.

Внутри корпуса кварцевого генератора – компоненты, закреплённые на керамической подложке. Они подсоединяются к схеме крохотной золотой проволочной разваркой. Конденсатор на 3 нФ и плёночный резистор на 10 Ом, расположенные на подложке методом поверхностного монтажа, отфильтровывают шум, поступающий от контакта питания.

Схема работы ИС

На фото ниже показан крохотный кристалл ИС под микроскопом. Размечены контактные площадки и основные функциональные блоки. Зелёно-коричневые участки – это кремний, формирующий ИС. Жёлтоватый металлический слой соединяет компоненты с ИС. Под металлом находится красноватый слой поликремния, где формируются транзисторы – но он практически полностью закрыт металлическим слоем. По краям чипа расположена проволочная разварка, подсоединённая к контактным площадкам, соединяющим чип с остальными частями модуля. Две площадки (select и disable) не подсоединены. Чип произведён компанией Motorola в 1986. По артикулу SC380003 информации я не нашёл.

Кристалл ИС с разметкой основных блоков. «FF» обозначает триггеры. «sel» – контактные площадки [select pads]. «cap» – площадки, подсоединённые к внутренним конденсаторам.

У ИС есть две задачи. Во-первых, её аналоговые компоненты заставляют кристалл колебаться. Во-вторых, её цифровые компоненты делят частоту на 1, 2, 4 или 8, и выдают сигнал тактовой частоты с большим током (делитель задаётся двумя контактами выбора на ИС).

Кварцевый генератор реализован по приведённой ниже схеме, которая называется «генератор Колпитца». Она сложнее обычной схемы кварцевого генератора. Суть в том, что кристалл и два конденсатора колеблются с заданной частотой. Однако колебания быстро затухли бы, если бы не поддерживающая обратная связь с поддерживающего транзистора.

Типичный кварцевый генератор строится по простой схеме под названием «генератор Пирса», в которой из кристалла и инвертера формируется цепь обратной связи. Два заземлённых конденсатора в середине делают её очень похожей на классический генератор Колпитца.

Не уверен, по какой причине разобранный мною кварцевый генератор использует более сложную схему, которая требует хитрого смещения напряжения.

В 1918 году Эдвин Колпитц, главный исследователь в компании Western Electric, изобрёл кварцевый генератор на катушке индуктивности и конденсаторе. Сегодня эта схема известна, как генератор Колпитца. Идея в том, что катушка индуктивности с конденсатором формируют «резонансный резервуар», колеблющийся с частотой, зависящей от характеристик компонентов. Можно представлять, что электричество в этом резервуаре как бы плещется туда и сюда между катушкой индуктивности и конденсаторами. Сами по себе колебания быстро затухли бы, поэтому для их подпитки используется усилитель. В оригинальном генераторе Колпитца усилителем была электронная лампа. Позднее схемы перешли на транзисторы, но этот усилитель может быть операционным или другого типа. В других схемах конец заземляется, чтобы в середине шла обратная связь. Тогда конденсаторы ничего не инвертируют, поэтому используется не инвертирующий усилитель.

Упрощённая схема генератора Колпитца с базовыми компонентами.

Ключевая особенность генератора Колпитца заключается в двух конденсаторах, формирующих делитель напряжения. Поскольку они в середине заземлены, на двух концах у них будет напряжение противоположных значений: когда одно повышается, второе понижается. Усилитель берёт сигнал с одного конца, усиливает его, и подаёт на другой. Усилитель инвертирует сигнал, а конденсаторы дают второе инвертирование, так, что обратная связь усиливает оригинальный сигнал (обеспечивая фазовый сдвиг на 360°).

В 1923 году Джордж Вашингтон Пирс, профессор физики в Гарварде, заменил катушку индуктивности в генераторе Колпитца на кристалл. Благодаря этому генератор стал более точным, и его стали широко использовать в радиопередатчиках и других устройствах. Пирс запатентовал своё изобретение и заработал приличные деньги на таких компаниях, как RCA и AT&T. Наличие патентов привело к многолетним судебным тяжбам, дошедшим в итоге до Верховного суда.

Несколько десятилетий генератор Пирса было принято называть генератором Колпитца с кристаллом. В генераторе Пирса часто отсутствовали характерные конденсаторы, вместо которых использовалось паразитная ёмкость электронной лампы. Терминология постепенно менялась, и два разных типа кварцевых генератора начали называть генератором Колпитца (с конденсаторами) и генератором Пирса (без них).

Ещё одно изменение терминологии произошло в связи с тем, что генератор Колпитца, генератор Пирса и генератор Клаппа были топологически идентичными кварцевыми генераторами, отличавшимися только в том, какая часть схемы считалась землёй (коллектор, эмиттер или база соответственно). Все эти генераторы можно называть генераторами Колпитца, только с общим коллектором, общим эмиттером или общей базой.

Этот экскурс в историю я сделал с тем, чтобы показать, что в различных источниках эти генераторы называют по-разному, генераторами Колпитца или Пирса, причём противоречивым образом. Тот генератор, что изучал я, можно назвать генератором Колпитца с общим стоком (по аналогии с общим коллектором). Также его можно назвать генератором Колпитца на основании расположения заземления. Но исторически его можно назвать генератором Пирса, поскольку он использует кристалл. Также он называется кварцевым генератором с одним контактом, поскольку только один контакт кристалла подсоединён к внешней схеме (другой заземлён).

Упрощённая схема генератора

Увеличение напряжения на кристалле включает транзистор, ток идёт в конденсаторы, увеличивая напряжение на них (и на кристалле). Уменьшение напряжения на кристалле выключает транзистор, сток тока (кружок со стрелкой) вытягивает ток из конденсаторов, уменьшая напряжение на кристалле. Таким образом, обратная связь с транзистора усиливает колебания кристалла, поддерживая их.

Цепи напряжения смещения и тока являются важной частью этой схемы. Напряжение смещения устанавливает вентиль транзистора где-то посередине между включённым и выключенным состоянием, поэтому колебания напряжения на кристалле включают его и выключают. Ток смещения находится посередине между значениями токов включённого и выключенного транзистора, поэтому ток, приходящий и уходящий из конденсаторов, сбалансирован (я упрощаю, говоря о включённых и выключенных состояниях – в реальности сигнал будет иметь синусоидальную форму).

Цепи напряжения смещения и тока – это умеренно сложные аналоговые схемы, состоящие из кучки транзисторов и нескольких резисторов. Подробно описывать их не буду, скажу лишь, что они используют цепи обратной связи для генерации нужных фиксированных значений напряжения и тока.

Значительную часть ИС занимают пять конденсаторов. На схеме один расположен сверху, три идут параллельно, формируя нижний конденсатор на схеме, а один стабилизирует цепь напряжения смещения. На фото кристалла ниже показан один из конденсаторов после растворения верхнего металлического слоя. Красные и зелёные участки – это поликремний, формирующий верхнюю пластину конденсатора вместе с металлическим слоем. Расположенный под поликремнием розоватый участок – вероятно, нитрид кремния, формирующий диэлектрический слой. Кремний с добавками, которого на фото не видно, формирует нижнюю пластину конденсатора.

Конденсатор на кристалле. Большой бледный квадрат слева – площадка для подсоединения проволочной разварки к ИС. Сложные структуры слева – фиксирующие диоды контактов. Похожие на клевер структуры справа – это транзисторы.

Интересно, что конденсаторы на чипе не соединяются вместе. Они подсоединены к трём площадкам, связанным между собой проволочной разваркой. Возможно, это придаёт схеме гибкость – ёмкость цепи можно изменить, удалив проводник, ведущий к конденсатору.

Цифровая схема

С правой части чипа находится цифровая схема делителя выходной частоты кристалла на 1, 2, 4 или 8. Благодаря ей один и тот же кристалл может выдавать четыре частоты. Делитель составлен из трёх триггеров, подключённых последовательно. Каждый делит входящий импульс пополам. Мультиплексор 4 к 1 выбирает между оригинальной частотой импульсов или выходом с одного из триггеров. Выбор осуществляется при помощи проводников, подходящих к двум площадкам для выбора с правой части кристалла. Итоговая частота фиксируется на этапе производства. Для декодирования контактов и генерации четырёх управляющих сигналов мультиплексору и триггерам используются четыре вентиля NAND вместе с инверторами.

Реализация логики КМОП

Кип построен на логике КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Она использует совместно работающие транзисторы двух типов, N-МОП и P-МОП. На диаграмме ниже показано устройство N-МОП транзистора. Транзистор можно считать переключателем между истоком и стоком, который контролирует вентиль. Исток и сток (зелёные) состоят из участков кремния с добавками, меняющими его полупроводниковые свойства – из N+ кремния. Вентиль сделан из особого кремния, поликремния, отделённого от кремниевой подложки очень тонким изолирующим слоем оксидным слоем. N-МОП транзистор включается, когда вентиль подтягивается вверх.

Структура N-МОП транзистора. Структура P-МОП транзистора похожа, однако участки кремния N- и P-типа меняются местами.

Строение P-МОП транзистора противоположно N-МОП: исток и сток состоят из P+ кремния, включённого в N кремний. Работает он тоже противоположно N-МОП транзистору: включается, когда вентиль подтягивается вниз. Обычно P-МОП транзисторы подтягивают сток вверх, а N-МОП – вниз. В КМОП транзисторы работают, дополняя друг друга, подтягивая выходной сигнал вверх или вниз по необходимости.

На диаграмме ниже показано, как в КМОП реализован вентиль NAND. Если на вход подать 0, соответствующий P-МОП транзистор (вверху) включится и притянет выход вверх. Если на оба входа подать 1, N-МОП транзистор (внизу) включится и подтянет выход вниз. Таким образом схема реализует функцию NAND.

На диаграмме ниже показано, как NAND-вентиль выглядит на кристалле. В отличие от изображений в учебниках, у реальных транзисторов бывает сложная, извилистая форма. С левой стороны находятся P-МОП транзистор, а с правой – N-МОП. Красноватые дорожки над кремнием – это поликремний, формирующий вентили. Большая часть кремния в подложке благодаря добавкам проводит ток, и выглядит чуть темнее непроводящего кремния без добавок с левого и правого краёв, а также в центре. Для изготовления этого фото металлический слой был вытравлен. Жёлтые линии обозначают места, где раньше были металлические проводники. Кружочки — это связи металлического слоя с нижними слоями, кремния или поликремния.

Как NAND-вентиль выглядит на кристалле

Транзистор на фото можно сопоставить со схемой NAND-вентиля. Посмотрите на сформированные поликремнием вентили транзистора, и на то, что они разделяют. От участка +5 есть дорожка к выходу через длинный P-МОП транзистор слева. Второй путь идёт через небольшой P-МОП транзистор в центре – это показывает, что транзисторы подключены параллельно. Каждый вентиль контролирует один из входов. Слева дорожка от земли к выходу должна пойти через оба концентрических N-МОП транзистора – они подключены последовательно.

В этой ИС также используется много транзисторов с кольцевыми вентилями. Эта необычная техника расположения элементов позволяет с большой плотностью разместить множество параллельных транзисторов. На фото ниже показано 16 транзисторов с кольцевыми вентилями. Похожие на клевер узоры медного цвета – это сток транзисторов, а снаружи находится исток. Металлический слой (тут он удалён) объединяет соответственно все истоки, вентили и стоки. Параллельные транзисторы работают как один большой. Параллельные транзисторы используются для подачи больших токов на выход. В схеме смещения вместе соединяются различное количество транзисторов (6, 16 или 40), чтобы получать нужное соотношение токов.

Передаточный вентиль

Ещё одна ключевая схема чипа – это передаточный вентиль. Он работает как переключатель, через который сигнал либо проходит, либо нет. На схеме ниже показано, как передаточный вентиль делается из двух транзисторов, N-МОП транзистора и P-МОП транзистора. Если по линии enable подаётся большое напряжение, включаются оба транзистора, и входной сигнал проходит на выход. Если напряжение низкое, они выключаются, блокируя сигнал. Справа показано условное обозначение передаточного вентиля на схемах.

Мультиплексор

Мультиплексор используется для выбора одного из четырёх тактовых сигналов. На диаграмме ниже показано, как мультиплексор реализован на основе передаточных вентилей. Мультиплексор принимает на вход четыре сигнала: A, B, C и D. Один из входов выбирается через активацию соответствующей линии выбора и её дополнения. Этот вход связывается через передаточный вентиль с выходом, а другие входы блокируются. Хотя мультиплексор можно построить и на стандартных логических вентилях, его реализация на передаточных вентилях получается эффективнее.

Мультиплексор 4 к 1 на основе передаточных вентилей

На схеме ниже показаны транзисторы, из которых состоит мультиплексор. Ко входам B и С подключено по паре транзисторов. Думаю, это сделано потому, что у пары транзисторов сопротивление получается половинным. Поскольку входы В и С предназначены для высокочастотных сигналов, пара транзистора позволяет уменьшить задержки и искажения.

На фото ниже показано, как мультиплексор реализован на кристалле физически. Лучше всего видно поликремниевые вентили. Металлический слой удалён. Металлические проводники шли вертикально, соединяя соответствующие сегменты транзисторов. Истоки и стоки соседних транзисторов объединены в единые участки, расположенные между вентилями. В верхнем прямоугольнике находятся N-МОП транзисторы, а в нижнем – P-МОП. Поскольку P-МОП транзисторы менее эффективны, нижний прямоугольник должен быть больше.

Триггер

На чипе есть три триггера, делящие тактовую частоту. Кварцевый генератор использует переключаемые триггеры, которые переключаются между 0 и 1 каждый раз, когда получают входящий импульс. Поскольку два входящих импульса дают один исходящий (0→1→0), триггер делит частоту пополам.

Триггер состоит из передаточных вентилей, инверторов и NAND-вентиля – см. схему ниже. Когда входящий тактовый сигнал равен 1, выход проходит через инвертор и первый передаточный вентиль в точку А. Когда входящий сигнал переключается на 0, открывается первый передаточный вентиль, и в точке А остаётся предыдущее значение. Тем временем закрывается второй передаточный вентиль, поэтому сигнал проходит через второй инвертор и передаточный вентиль в точку В. NAND-вентиль снова его инвертирует, в результате чего значение выхода меняется на противоположное. Второй цикл входящего сигнала тактовой частоты повторяет этот процесс, благодаря чему выход возвращается к изначальному значению. В итоге два цикла входящих сигналов дают один цикл выходящего сигнала, так что триггер делит частоту на 2.

У каждого триггера есть разрешающий вход. Если триггер для выбранного выхода не нужен, он отключается. К примеру, если выбирается режим деления на 2, используется только первый триггер, а два другие отключаются. Полагаю, это делается для уменьшения энергопотребления. Это не зависит от контакта отключения на модуле, который полностью блокирует выходящий сигнал. Это отключаемое свойство опционально; в данном модуле такой функции нет, а контакт отключения не подключен к ИС.

На схеме выше инвертеры и передаточные вентили показаны в виде отдельных структур. Однако в триггере используется интересная структура вентилей, комбинирующая инвертер и передаточный вентиль (слева) в единый вентиль (справа). Пара транзисторов, подключенных к data in, работают как инвертер. Однако если сигнал тактовой частоты нулевой, питание и земля блокируются, и вентиль не влияет на выход, сохраняя предыдущее напряжение. Так работает передаточный вентиль.

Комбинированные инвертер и передаточный вентиль

На фото ниже показано, как один из таких вентилей выполнен на кристалле. На фото видно металлический слой сверху. Под ним видно красноватые вентили из поликремния. Слева расположены два P-МОП транзистора в виде концентрических кругов. Справа находятся N-МОП транзисторы.

Заключение

Хотя модуль кварцевого генератора снаружи кажется простым, внутри него больше компонентов, чем можно было бы ожидать. Там находится не только кристалл кварца, но и дискретные компоненты, и крохотная ИС. В ИС скомбинированы конденсаторы, аналоговые цепи, обеспечивающие колебания, и цифровые цепи для выбора частоты. Можно выбрать одну из четырёх частот, изменяя проводку ИС на этапе производства.

Больше информации по кварцевым генераторам можно найти на сайтах EEVblog, electronupdate и WizardTim. Про генератор Колпитца можно посмотреть на Hackaday.

Закончу фотографией чипа после удаления слоёв металла и оксида, чтобы было видно кремний и поликремний. Больше всего выделяются крупные розоватые конденсаторы, однако можно рассмотреть и транзисторы.

Кликабельно

• кварцевый генератор
• ibm
• интегральные схемы
• реверс-инжиниринг

Кварцевый генератор принцип работы

В RC и LC генераторах значения сопротивления, емкости и индуктивности меняются в зависимости от температуры и, следовательно, на частоту влияют. Чтобы избежать этой проблемы, пьезоэлектрические кристаллы используются в генераторах.

Использование пьезоэлектрических кристаллов в параллельных резонансных контурах обеспечивает высокую стабильность частоты в генераторах. Такие генераторы называются Кристаллическими Осцилляторами .

Кварцевые генераторы

Принцип работы кварцевых генераторов зависит от пьезоэлектрического эффекта . Естественная форма кристалла шестиугольная. Когда кристаллическая пластина изогнута перпендикулярно оси X, она называется X-разрезом, а когда она разрезается по оси Y, она называется Y-разрезом.

Кристалл, используемый в кварцевом генераторе, обладает свойством, называемым пьезоэлектрическим свойством. Итак, давайте разберемся с пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрический эффект

Кристалл проявляет свойство, заключающееся в том, что когда механическое напряжение прикладывается к одной из граней кристалла, разность потенциалов развивается на противоположных гранях кристалла. И наоборот, когда разность потенциалов прикладывается к одной из граней, вдоль других граней создается механическое напряжение. Это известно как пьезоэлектрический эффект .

Некоторые кристаллические материалы, такие как соль Рошеля, кварц и турмалин, обладают пьезоэлектрическим эффектом, и такие материалы называются пьезоэлектрическими кристаллами . Кварц является наиболее часто используемым пьезоэлектрическим кристаллом, потому что он недорог и легко доступен в природе.

Когда пьезоэлектрический кристалл подвергается действию переменного потенциала, он вибрирует механически. Амплитуда механических колебаний становится максимальной, когда частота переменного напряжения равна собственной частоте кристалла.

Работа кварцевого кристалла

Чтобы заставить кристалл работать в электронной схеме, кристалл помещают между двумя металлическими пластинами в форме конденсатора. Кварц является наиболее часто используемым типом кристаллов из-за его доступности и сильной природы, будучи недорогим. Переменное напряжение подается параллельно кристаллу.

Схема расположения кварцевого кристалла будет такой, как показано ниже —

Если подается переменное напряжение, кристалл начинает вибрировать с частотой приложенного напряжения. Однако, если частота приложенного напряжения сделана равной собственной частоте кристалла, возникает резонанс и вибрации кристалла достигают максимального значения. Эта собственная частота практически постоянна.

Эквивалентная схема кристалла

Если мы попытаемся представить кристалл эквивалентной электрической цепью, мы должны рассмотреть два случая: когда он вибрирует, а когда нет. Цифры ниже представляют символ и электрическую эквивалентную схему кристалла соответственно.

Вышеуказанная эквивалентная схема состоит из последовательной RLC-схемы, параллельной емкости C _m . Когда кристалл, установленный на источнике переменного тока, не вибрирует, он эквивалентен емкости C _m . Когда кристалл вибрирует, он действует как настроенная схема RLC.

Частотный отклик

Частотная характеристика кристалла показана ниже. График показывает реактивное сопротивление (X _L или X _C ) в зависимости от частоты (f). Очевидно, что кристалл имеет две близко расположенные резонансные частоты.

Первая — это последовательная резонансная частота (f _s ), которая возникает, когда реактивное сопротивление индуктивности (L) равно реактивному сопротивлению емкости C. В этом случае полное сопротивление эквивалентной цепи равно сопротивлению R и частота колебаний определяется соотношением,

Вторая — это параллельная резонансная частота (f _p ), которая возникает, когда реактивное сопротивление ветви RLC равно реактивному сопротивлению конденсатора C _m . На этой частоте кристалл обеспечивает очень высокое сопротивление внешней цепи, и частота колебаний определяется соотношением.

Значение C _m обычно очень велико по сравнению с C. Следовательно, значение C _T приблизительно равно C, и, следовательно, последовательная резонансная частота приблизительно равна параллельной резонансной частоте (то есть f _s = f _p ).

Схема кварцевого генератора

Схема кварцевого генератора может быть сконструирована несколькими способами, такими как кварцевый генератор с управляемым кристаллом, кварцевый генератор Колпитса, кварцевый генератор Клэпа и т. Д. Но транзисторный кварцевый генератор с пирсингом является наиболее часто используемым. Это схема, которая обычно называется схемой кварцевого генератора.

Следующая принципиальная схема показывает расположение транзисторного кварцевого генератора.

В этой схеме кристалл соединен как последовательный элемент на пути обратной связи от коллектора к основанию. Резисторы R ₁ , R ₂ и R _E обеспечивают цепь стабилизированного постоянного напряжения делителя напряжения. Конденсатор C _E обеспечивает байпас переменного тока эмиттерного резистора, а RFC (радиочастотный дроссель) катушка обеспечивает смещение постоянного тока, в то же время отделяя любой сигнал переменного тока на линиях электропередачи от воздействия на выходной сигнал. Конденсатор связи С имеет незначительное полное сопротивление на рабочей частоте цепи. Но он блокирует любой постоянный ток между коллектором и базой.

Частота колебаний схемы задается последовательной резонансной частотой кристалла, а ее значение определяется соотношением,

Можно отметить, что изменения напряжения питания, параметров транзисторного устройства и т. Д. Не влияют на рабочую частоту схемы, которая поддерживается кристаллом стабильно.

преимущества

Преимущества кварцевого генератора следующие:

• Они имеют высокий порядок стабильности частоты.
• Коэффициент качества (Q) кристалла очень высок.

Недостатки

Недостатками кварцевого генератора являются:

• Они хрупкие и могут использоваться в цепях малой мощности.
• Частота колебаний не может быть существенно изменена.

Стабильность частоты генератора

Ожидается, что генератор будет поддерживать свою частоту в течение более длительного периода времени без каких-либо изменений, чтобы иметь более плавный чистый синусоидальный выход для работы схемы. Следовательно, термин «стабильность частоты» действительно имеет большое значение, когда речь идет о генераторах, будь то синусоидальный или несинусоидальный.

Стабильность частоты генератора определяется как способность генератора поддерживать необходимую частоту постоянной в течение длительного интервала времени, насколько это возможно. Попробуем обсудить факторы, влияющие на эту стабильность частоты.

Изменение в рабочей точке

Мы уже познакомились с параметрами транзистора и узнали, насколько важна рабочая точка. Стабильность этой рабочей точки для транзистора, используемого в схеме усиления (BJT или FET), имеет большее значение.

Работа используемого активного устройства отрегулирована так, чтобы соответствовать линейной части его характеристик. Эта точка сдвигается из-за колебаний температуры, и, следовательно, это влияет на стабильность.

Изменение температуры

Цепь бака в цепи генератора содержит различные компоненты, определяющие частоту, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Все их параметры зависят от температуры. Из-за изменения температуры на их значения влияют. Это приводит к изменению частоты контура генератора.

Из-за питания

Изменения в подаваемой мощности также влияют на частоту. Изменения источника питания приводят к изменениям в V _cc . Это повлияет на частоту производимых колебаний.

Во избежание этого внедрена система регулируемого энергоснабжения. Вкратце это называется RPS. Детали регулируемого электропитания были четко обсуждены в разделе электропитания учебного пособия по электронным схемам.

Изменение выходной нагрузки

Изменения выходного сопротивления или выходной нагрузки также влияют на частоту генератора. Когда нагрузка подключена, эффективное сопротивление цепи бака изменяется. В результате добротность LC настроенной схемы изменяется. Это приводит к изменению выходной частоты генератора.

Изменения в межэлементных емкостях

Межэлементные емкости — это емкости, которые развиваются в материалах PN-перехода, таких как диоды и транзисторы. Они разработаны из-за заряда, присутствующего в них во время их работы.

Межэлементные конденсаторы претерпевают изменения по различным причинам, таким как температура, напряжение и т. Д. Эта проблема может быть решена путем подключения затухающего конденсатора через неисправный межэлементный конденсатор.

Значение Q

Значение Q (Коэффициент качества) должно быть высоким в генераторах. Значение Q в настроенных генераторах определяет селективность. Поскольку этот Q прямо пропорционален стабильности частоты настроенной цепи, значение Q должно поддерживаться на высоком уровне.

Стабильность частоты может быть математически представлена как

$$ S_w = d theta / dw $$

Где dθ — сдвиг фазы, введенный для небольшого изменения частоты номинальной частоты f _r . Схема, дающая большее значение (dθ / dw), имеет более стабильную частоту колебаний.

Кварцевые генераторы на биполярных и полевых транзисторах, а также

цифровых КМОП и ТТЛ микросхемах. Осцилляторные схемы генераторов
стабильной частоты, онлайн калькулятор расчёта элементов.

Параметр стабильности LC-генератора при условии качественного исполнения данного узла, наличия высокодобротных катушек и конденсаторов с подобранными ТКЕ может достигать достаточно высоких значений. Это даёт возможность радиолюбителю, не направляя свой взгляд в сторону цифровых аксессуаров, вести комфортный приём/передачу однополосных сигналов в частотном диапазоне работы ГПД до 10-15Мгц.
Можно, конечно, попытаться залезть и повыше, но ненамного — начинают возникать нюансы. С одной стороны, чем дальше влез, тем больше интерес, с другой — становится всё труднее удержать частоту генератора в сфере своего влияния. А при частотах колебаний свыше 30МГц, долговременная относительная нестабильность генератора становится таковой, что «голос любителя, радостно вещающего однополосным SSB сигналом о преимуществах «Яги» перед «Двойным квадратом», начинает плавно глиссандировать от убедительного баритона Левитана до легкомысленного тенора оперной дивы».
И вот тут уже — жить без кварцевого резонатора становится сложновато. Причём окварцованный генератор может использоваться как готовый гетеродин на фиксированную частоту, так и в качестве опорника для цифрового синтезатора частоты.

Кварцевый резонатор (кварц) — радиоэлемент, в котором явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы.
Добротность кварцевых резонаторов во много раз превышает добротность резонаторов на LC-контурах и составляет 10 4 . 10 6 . Долговременная относительная нестабильность частоты — не хуже чем 10 -6 . 10 -8

Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора в схемах генераторов, надо рассмотреть его эквивалентную схему:

а частота параллельного:
.

Произведя несложные математические манипуляции, получаем:

Поскольку на практике Сo≫Ck, то расхождение между частотами параллельного и последовательного резонансов невелико — максимальная разность близка к 0,4% от паспортной частоты кварца. Также не составит особого труда заметить, что Fпар всегда > Fпосл.

Для интересующихся приведу некоторые типичные значения параметров эквивалентной схемы кварцевых резонаторов.

F (Мгц)	Lk (мГн)	Ck (пФ)	Rk (Ом)	Cо (пФ)
1	1910	13,3×10 -3	200	5
10	28,6	8,86×10 -3	12	4
12	24	7,368×10 -3	12	4
20	11,94	5,3×10 -3	10	3,5

Читайте также Датчик движения для включения света уличный

Переходим к некоторым расхожим схемам генераторов с кварцевой стабилизацией частоты.

В ёмкостной трехточке по схеме Пирса (Рис.2) биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером.
Резисторы R1 и R2 задают режим работы транзистора T1 по постоянному току, и выбираются исходя из тока покоя транзистора 1-5мА в зависимости от частоты генерируемого сигнала.

При возбуждении кварцевого резонатора на нечётных механических гармониках кварца, вместо резистора R3 включают катушку индуктивности L1 (Рис.3).
Параметры контура следует выбирать так, чтобы его собственная частота составляла 0,7. 0,8 от частоты генерации. В результате контур имеет ёмкостную проводимость на частоте необходимой гармоники, что исключает возможность генерации на низших гармониках и основной частоте.

Значительно большим фазовым запасом для возникновения условий генерации обладают схемы ёмкостных трёхточек Пирса, выполненные на полевых транзисторах, либо КМОП микросхемах, в том числе и цифровых. Объясняется это высоким входным сопротивлением подобных устройств, что, в свою очередь, создаёт более правильные условия для работы цепей фазовращателя.

Схемы, выполненные на полевых транзисторах (Рис.4,5), аналогичны схемам свох биполярных аналогов.
Резистор R3 определяет режим работы Т1 по постоянному току, и выбирается исходя из необходимого тока покоя транзистора (1-5мА).

Генераторы Пирса вполне заслуженно считаются генераторами с наилучшей кратковременной стабильностью частоты, однако обладают определённым набором недостатков — как то: относительная сложность, необходимость качественной стабилизации базового тока транзистора, а также то, что ни один из выводов кварцевого резонатора не подключён к шине корпуса.

Отчасти указанных недостатков лишён генератор Колпитца — схемотехническое решение ещё одного трехточечного кварцевого генератора, в котором транзистор активного элемента по переменному току включён по схеме с общим коллектором. При этом кварцевый резонатор, имеющий индуктивный характер реактивного сопротивления, входит в состав параллельного резонансного контура, один из выводов которого может быть подключён к земляной шине.

На Рис.7 приведена базовая схема кварцевого генератора Колпитца при условии возбуждения резонатора на основной частоте.

Схема для возбуждения кварцевого генератора на 3-5 механической гармонике кварца (Рис.9) была замечена в datasheet-е на буржуйскую микросхему SA612A.

На высоких частотах, вплоть до 300МГц, целесообразно применять однокаскадные схемы генераторов с общей базой (Рис.11).

Рис.11Рис.12 Рис.13 Рис.14

Схемы, приведённые на Рис.11 и Рис.12 функционально абсолютно идентичны, хотя первая из них представляет индуктивную трёхточку с кварцевым резонатором, выполненную по схеме Хартли, а вторая ёмкостную — по схеме Колпитца.
Для возникновения колебаний необходимо, чтобы колебательный контур был настроен на частоту кварцевого резонатора, либо на частоту, равную кратной основной частоте гармоники.
Дальнейшего улучшения условия самовозбуждения этих автогенераторов на высоких частотах можно добиться, включив параллельно кварцу дополнительную катушку индуктивности L2 (Рис.13 и Рис.14). Контур, образованный параллельной ёмкостью кварца Со и катушкой L2, настраивают на частоту используемой гармоники.
Точно также как и в предыдущих случаях, биполярный транзистор лёгким движением руки может быть заменён на полевой с соответствующими цепями смещения.

ВАЖНО!
1. К источнику питания любые ВЧ генераторы, в том числе и окварцованные, следует подключать через интегрирующую RC цепочку, представляющую из себя резистор номиналом несколько сотен Ом (в зависимости от рабочего тока транзистора) и конденсатор, идущий одним выводом на землю, ёмкостью 0,1МкФ.
2. Каскады, подключаемые к выходу генератора, должны иметь достаточно высокое входное сопротивление. Идеально — если это будут цепи, реализованные на полевых транзисторах.
3. Разделительные конденсаторы, нарисованные на схемах последовательно с кварцевыми резонаторами, призваны отсечь от кварца постоянное напряжение. Кто-то их ставит, кто-то нет — по-любому, внятных теоретических обоснований по поводу вреда здоровью резонаторов от постоянки я не встречал. Так, что считайте присутствие этих элементов факультативным, хуже точно не будет, лучше — вполне вероятно.

4. Базовая схема кварцевого генератора на цифровой микросхеме (Рис.6) отлично работает в широком диапазоне частот и не требует никаких модификаций. Многочисленные 2-3 вентильные вариации на заданную тему большого смысла не имеют, так как обладают худшими частотными свойствами. Разве, что можно обратить внимание на схему, приведённую на Рис.15, которая за счёт более высокого общего коэффициента усиления создаёт дополнительные условия для устойчивой генерации и меньшей зависимости от номиналов ёмкостей.
Рис.15

Ну и по традиции — калькулятор в студию!

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Приведённый калькулятор не претендует на 100% достоверность, так не в состоянии учитывать реальные характеристики применяемых резонаторов, однако, в большинстве случаев поможет радиолюбителю не допустить явных ошибок и запустить устройство без шаманства и танцев с бубнами.

А на следующей странице рассмотрим схемы кварцевых генераторов, обладающих способностью плавной перестройки в некотором не очень широком диапазоне частот.

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.

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

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

Примечания

1. ↑Однократно программируемые кварцевые генераторы Epson

Литература

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Кравченко, Валерий Трофимович
• Клингоны

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

Читайте также Принцип работы независимого расцепителя

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

Кварцевые генераторы

Кварцевые генераторы

Относительная нестабильность частоты автогенераторов, выполняемых на резонаторах в виде LC-контуров, обычно не ниже 10 -3 . 10 -4 . Стабильность частоты генератора существенно зависит от добротности и стабильности колебательной системы. Добротность LC-контура обычно не выше 200. 300. К современным радиопередатчикам и приемникам предъявляются более высокие требования по стабильности частоты. Обычно требуется долговременная относительная нестабильность частоты не хуже чем 10 -6 . 10 -8 , что можно обеспечить, применяя кварцевые резонаторы. Добротность кварцевых резонаторов во много раз превышает добротность резонаторов на LC-контурах и составляет 10 4 . 10 6 .

Существует много схем кварцевых автогенераторов. Поэтому возникла необходимость рассмотреть наиболее часто применяемые на практике схемы. Общепринятая эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена на рис.1. Динамическая индуктивность Ls, динамическая емкость Cs и сопротивление потерь Rs обусловлены наличием прямого и обратного пьезоэффекта и резонансными свойствами пьезоэлемента. Параллельная емкость Ср обусловлена межэлектродной емкостью пьезоэлектрика, емкостью корпуса и монтажа. Резонансная частота динамической ветви называется частотой последовательного резонанса кварцевого резонатора Fs. Добротность кварцевого резонатора Q определяется динамической ветвью в соответствии с формулой для последовательного колебательного контура Q =(2pFsLs)/Rs

Частота параллельного резонанса Fp несколько выше Fs, что обусловлено параллельным резонансом Ср, Cs и Ls. Важным параметром кварцевого резонатора является отношение его параллельной емкости к динамической, обозначаемое г и называемое емкостным коэффициентом r=Cc/Cs

По разным литературным источникам, емкостной коэффициент для АТ-среза кварца равен 220. 250. Учитывая, что Cs/Cp 25 резонансный интервал, определяемый как разность между частотами параллельного и последовательного резонансов кварцевого резонатора, можно записать в виде dF=Fs/2r. На механических гармониках кварцевого резонатора резонансный интервал уменьшается и определяется выражением dFn=Fs/(2rn2), где n — номер гармоники.

Емкостной коэффициент определяет величину резонансного промежутка резонатора, следовательно, девиацию частоты управляемого кварцевого генератора, стабильность частоты при изменении параметров схемы, условия возникновения и поддержания колебаний в схеме кварцевого автогенератора. Для оценки способности кварцевого резонатора возбуждаться, в некоторых схемах кварцевых генераторов используют параметр, называемый фактором качества. Он определяется как отношение добротности резонатора к его емкостному коэффициенту м=Q/r.

Для кварцевых резонаторов значения М лежат в пределах от 1 до 10000. При М 2 резонатор имеет область индуктивной реакции, и чем больше значение М, тем эта область шире. На практике шире всего распространены два вида кварцевых генераторов: а) генераторы, в которых кварцевый резонатор является частью колебательного контура и эквивалентен индуктивности; б) генераторы, в которых кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи, используется как узкополосный фильтр и эквивалентен активному сопротивлению.

Кварцевые генераторы, в которых кварцевый резонатор используется в качестве элемента контура с индуктивной реакций, называют осцилляторными, а генераторы, в которых кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи, называют генераторами последовательного резонанса.

Осцилляторная схема кварцевого генератора с кварцем между коллектором и базой, выполненная по схеме с заземленным эмиттером (емкостная трехточка) приведена на рис.2.

В настоящее время емкостная трехточка находит широкое применение в диапазоне частот до 22 МГц при работе резонатора на основной частоте, и до 66 МГц при возбуждении на третьей механической гармонике (рис.3). Автогенератор с кварцевым резонатором между коллектором и базой в схеме с заземленным по высокой частоте эмиттером, не склонен к паразитным колебаниям на ангармонических обертонах, имеет превосходную стабильность частоты при изменении питающего напряжения и температуры окружающей среды.

Влияние изменений реактивных параметров транзистора, зависящих от напряжения питания и времени,ослабляется с ростом емкостей С1, СЗ (рис.2), т.е. с приближением рабочей частоты автогенератора к Fg. Однако чрезмерное увеличение емкостей приводит к ухудшению условий самовозбуждения. С другой стороны, с увеличением емкостей растет рассеиваемая на резонаторе мощность, что ведет к увеличению нестабильности генерируемой частоты. По техническим условиям рассеиваемая мощность на кварце ограничена 1. 2 мВт. Однако в диапазоне частот 1. 22 МГц при такой рассеиваемой мощности частота последовательного резонанса зависит от рассеиваемой мощности, а коэффициент пропорциональности составляет (0,5. 2) •10-9 Гц/мкВт, поэтому для высокостабильных генераторов рассеиваемую мощность на резонаторе следует ограничить величиной 0,1. 0,2 мВт.

На практике рекомендуется выбирать емкости С1, СЗ так, чтобы частота генерации отстояла от Fs не более чем на четверть резонансного интервала. При возбуждении кварцевого резонатора на нечетных механических гармониках кварца, вместо резистора R3 включают катушку индуктивности Lк (рис.3). На частоте генерации контур Lк-С4 должен иметь емкостное сопротивление, т.е. его резонансная частота должна быть ниже частоты генерации. Параметры контура следует выбирать так, чтобы его собственная частота составляла 0,7. 0,8 от частоты генерации. В результате контур имеет емкостную проводимость на частоте необходимой гармоники, что исключает возможность генерации на низших гармониках и основной частоте.

В осцилляторных генераторах, работающих на частоте выше 22 МГц, резонатор обычно возбуждают на 3-й или 5-й гармонике, но не на более высоких, так как сильно сказывается влияние параллельной емкости. Чаще чем приведенная на рис.2, применяется емкостная трехточечная схема кварцевого генератора с кварцевым резонатором между коллектором и базой в схеме включения транзистора с заземленным коллектором (рис.4). Эта схема особенно удобна для генераторов с электронной перестройкой частоты (при включении последовательно с кварцем варикапа), и имеет меньшее количество блокировочных элементов, чем схема с заземленным эмиттером. Многие специалисты в области кварцевых генераторов считают емкостную трехточку наилучшей из всех схем кварцевых генераторов, работающих на основной или 3-й механической гармонике резонатора. Следует отметить, что существует схема емкостной трехточки, не содержащая индуктивности, которая возбуждается на 3-й и 5-й гармониках.

Автогенератор с кварцем в контуре. Если в схеме на рис.4 последовательно с кварцем включить катушку индуктивности L1, это приведет к появлению новых свойств, т.е. в генераторе (рис.5) возможны автоколебания, не стабилизированные кварцевым резонатором. На высоких частотах, где реактивное сопротивление параллельной емкости резонатора меньше реактивного сопротивления динамической ветви кварцевого резонатора, возможно самовозбуждение через параллельную емкость Ср. Наличие индуктивности L1 означает возможность выполнения баланса фаз на

частоте последовательного резонанса, а также в некоторой области расстроек ниже частоты последовательного резонанса. Индуктивность L1 обеспечивает выполнение баланса фаз в условиях, когда М
Puc.6

В этой схеме удается возбудить кварцевые резонаторы на 5-й или 7-й гармониках. Схемы с нейтрализацией статической емкости резонатора весьма критичны к режиму работы и сложны в регулировке, хотя их можно применять на частотах до 100 МГц. Верхний предел частот генератора с нейтрализацией обусловлен трудностью получения большого эквивалентного сопротивления контура с ростом частоты, так как начальную емкость контура нельзя сделать малой из-за паразитных емкостей.

Схема Батлера (рис.7) характеризуется наибольшей устойчивостью к дестабилизирующим факторам в диапазоне до 100 МГц. Верхний предел генерируемых частот обусловлен ухудшением свойств эмиттерного повторителя. В схеме Батлера кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи между эмиттерами транзисторов. Транзистор VT1 включен по схеме с общим коллектором, а транзистор VT2 — с общей базой. Недостатком этой схемы является склонность к паразитному самовозбуждению из-за связи выхода со входом через параллельную емкость кварца Ср. Для устранения этого явления параллельно кварцу подключают катушку индуктивности, образующую совместно с параллельной емкостью кварца резонансный контур, настраиваемый на частоту паразитного колебания.

Автогенератор по схеме Батлера на одном транзисторе с компенсацией Ср. На частотах до 300 МГц целесообразно применять однокаскадные схемы фильтров, например, схему фильтра с общей базой (рис.8). По существу, такой автогенератор представляет собой однокаскадный усилитель, в котором контур соединен с эмиттером биполярного транзистора через кварцевый резонатор, выполняющий роль узкополосного фильтра. Контур, образованный параллельной емкостью кварца Ср и катушкой L2, настраивают на частоту используемой гармоники. С увеличением рабочей частоты возрастают эквивалентные проводимости транзистора, т.е. выполнение условий самовозбуждения ухудшается. Однако, несмотря на это, условия самовозбуждения этого автогенератора на высоких частотах выполняются легче, чем автогенераторов с кварцем между коллектором и базой и кварцем в контуре, что определяет его преимущество.

В заключение необходимо отметить, что рассмотренные схемы кварцевых генераторов не исчерпывают всего многообразия схем генераторов, стабилизированных кварцевым резонатором, и на выбор схемы решающее влияние оказывают наличие кварцевых резонаторов с необходимыми эквивалентными параметрами, требования к выходной мощности, к мощности, рассеиваемой на резонаторе, долговременной стабильности частоты и др.

Немного о резонаторах. При выборе резонатора для генератора особое внимание следует обращать на добротность резонатора — чем она выше, тем стабильнее частота. Наибольшей добротностью обладают вакуумированные резонаторы. Но чем добротнее резонатор, тем он дороже. Часто встречаются резонаторы с большим уровнем побочных резонансов.

В СССР, кроме резонаторов из кварца, выпускались резонаторы из ниобата лития (с маркировкой РН или РМ), танталата лития (с маркировкой РТ) и из других пьезоэлектриков. Так как эквивалентные параметры таких резонаторов отличаются от параметров кварцевых резонаторов, они могут не возбуждаться в схемах, в которых отлично работают кварцы, хотя частота, маркированная на корпусе, может быть одинаковой. У них могут быть хуже стабильность частоты и точность настройки. Предприятия СССР, как правило, выпускали кварцевые резонаторы с основной частотой до 20. 22 МГц, а выше — на механических гармониках. Это связано с устаревшей технологией обработки кварцевых пластин. Зарубежные предприятия выпускают кварцы с основной частотой 35 МГц. Ведущие зарубежные фирмы выпускают резонаторы в виде так называемой обратной мезаструктуры, работающие на объемных колебаниях сдвига по толщине, у которых частота первой гармоники достигает 250 МГц! Используя такие кварцевые резонаторы в схемах генераторов, в которых в качестве колебательных систем применяются системы с распределенными параметрами индуктивности и емкости, можно получить высокостабильные колебания вплоть до частоты 750 МГц без умножения частоты!

Читайте также Почему ржавеет нержавеющая сталь?

Обзор кварцевых генераторов GEYER ELECTRONIC

Компания GEYER ELECTRONIC была основана в 1964 г. и уже несколько десятилетий является одним из лидеров в сфере производства кварцевых резонаторов, генераторов и аналогичных продуктов для формирования частотных сигналов. В дополнение к этому фирма развивает свою деятельность в таких областях, как электрические батареи, аккумуляторы и технологии их зарядки. Высочайшее качество, соответствие высоким требованиям надежности и безопасности — главные особенности продукции фирмы. Чтобы охарактеризовать основные параметры генераторов, стоит вначале рассмотреть принцип действия кварцевых резонаторов и генераторов.

Принцип действия кварцевых резонаторов и генераторов

Принцип работы кварцевых резонаторов основан на применении пьезоэлектрического эффекта.

Некоторые вещества и кристаллы обладают несимметричной структурой (ацентрические кристаллы). Механические силы, действующие на такие кристаллы, вызывают в них не только механические напряжения, но и электрическую поляризацию. В результате на поверхности кристалла образуются заряды. Такой эффект и называют прямым пьезоэлектрическим эффектом, а кристаллы, соответственно, пьезоэлектриками. Самым распространенным пьезоэлектрическим материалом являются кристаллы кварца.

Существует и обратный пьезоэффект: при воздействии на пьезоэлектрик электрического поля в его структуре возникают механические деформации.

Кварцевый резонатор представляет собой специальным образом распиленный, обработанный и сориентированный кристалл кварца, с внешними электродами, расположенными с противоположных сторон. В процессе работы такой резонатор использует и прямой, и обратный пьезоэффект, в нем происходит постоянное преобразование электрического поля в механические деформации и обратно. Однако, с точки зрения электрической схемы, эти механические колебания остаются в стороне, хотя играют важнейшую роль, поскольку они во многом определяют резонансную частоту.

Внешне конструкция резонатора напоминает конструкцию конденсатора, но наличие пьезоэффекта определяет некоторые особенности его поведения. Характер изменения проводимости в области частот, близких к резонансу, оказывается таким же, как и у колебательного контура, что позволяет применять эквивалентную схему замещения. Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора содержит четыре элемента (рис. 1). Элементы L1, C1, R1 называют динамическими или эквивалентными индуктивностью, емкостью и сопротивлением соответственно. Емкость С0 называют параллельной емкостью. Такая схема хорошо объясняет наличие резонансной частоты.

Рис. 1. Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Кварцевый генератор представляет собой комплексный компонент, который содержит генератор, кварцевый резонатор и цепи управления. Простейшая схема включения кварцевого генератора требует только подачи питающего напряжения (рис. 2).

Рис. 2. Схема включения стандартного кварцевого генератора

Генераторы имеют целый ряд важных параметров, определяющих их применимость в тех или иных случаях.

Основные параметры кварцевых генераторов

Все генераторы имеют ряд общих параметров.

Частота

Основной параметр генератора. Значение частоты колебаний генератора может лежать в очень широких пределах — от единиц кГц до тысяч МГц. По характеру возможности изменения частоты генераторы делят на две группы:

• стандартные и прецизионные генераторы с фиксированной частотой (Crystal Oscillator, XO и Precision Crystal Oscillator, PXO);
• генераторы с подстраиваемой частотой, например с частотой, управляемой напряжением.

Для генераторов, управляемых напряжением и не использующих стабилизацию частоты кварцевым резонатором (Voltage Control Oscillators, VCO), указывают чувствительность подстройки (Tuning Sensitivity, МГц/В).

Кварцевые генераторы, управляемые напряжением и использующие стабилизацию частоты кварцевым резонатором (Voltage Control Crystal Oscillators, VCXO), имеют небольшой диапазон подстройки частоты из-за высокой добротности кварцевого резонатора. Для них указывают диапазон подстройки (Frequency Adjustment/Pullability/Pulling Range, ppm).

Стабильность частоты

Кварцевый генератор обладает высокой стабильностью благодаря высокой стабильности кварцевого резонатора. Однако стоит помнить, что на стабильность резонатора могут влиять различные факторы: температура, старение, давление, радиация, механические воздействия. Как правило, основным дестабилизирующим фактором является температура, поэтому в документации указывают стабильность частоты для конкретного температурного диапазона. С целью уменьшения температурной зависимости используют два основных метода: термостатирование и термокомпенсирование.

В термокомпенсированных кварцевых генераторах (Temperature Compensated Crystal Oscillator, TCXO) используются специальные электрические цепи и элементы, которые обеспечивают автоматическую подстройку частоты. В качестве таких элементов могут выступать термисторы и варикапы, которые также имеют температурную зависимость, помогающую компенсировать зависимость резонатора.

Джиттер

Джиттер (jitter) характеризует фазовое случайное «дрожание» сигнала (рис. 3). Реальный генератор дает не идеальную частоту сигнала: значения длительности каждого периода отличаются друг от друга. Для характеристики этого «дрожания» применяют:

• случайный джиттер (random jitter);
• максимальный джиттер (peak-to-peak jitter).

Рис. 3. Параметры тактового сигнала

Симметричность

Симметричность (symmetry) сигнала — соотношение длительности полупериода сигнала к полному периоду (рис. 3). Важным является как само значение симметрии, так и его допуск на точность.

Длительность фронтов

Длительность фронтов (rise & fall time max) — это время нарастания и спада входных сигналов (рис. 3). Данный параметр важен для приемников тактового сигнала, склонных к возникновению глитчей. Как правило, он не является критичным, если и генератор, и приемник сигнала соответствуют стандартам на уровни и форму сигналов.

Время запуска

Время запуска (start up time) — это время, проходящее от момента подачи питания на микросхему генератора до возникновения стабильного тактового сигнала.

Напряжение питания

Для стандартных генераторов напряжение питания определяет амплитуду выходного сигнала. Соответственно, генератор необходимо выбирать с учетом логических уровней напряжения используемых логических схем (процессоров, микроконтроллеров и т. д.). Одним из способов актуального для современной электроники сокращения потребляемой мощности является уменьшение питающих напряжений: чем меньше питающее напряжение, тем меньше потери мощности и токи потребления.

Ток потребления

Как было сказано выше, ток потребления будет увеличиваться с ростом частоты и напряжения. Поэтому производители указывают ток потребления для определенного диапазона частот и конкретных напряжений. Например, в таблице 1 приведены значения потребляемого тока для серии KXO-V95.

Частота, МГц

Ток потребления (типовой), мА

Кварцевый генератор. Схема. Достоинства и недостатки.

Для получения гармонических колебаний с малыми искажениями используют инерционно-нелинейную цепь ООС. Нужный характер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала уменьшается R3 (термистор) или увеличивается R4 (позистор).

Если необходима высокая стабильность, используется кварцевый генератор.

Условие баланса амплитуд:

Достоинство: очень высокая стабильность. (нестабильность 10 -5 -10 -7 при усилении термостатирования)

Недостатки: невозможность перестройки частоты (возможна только подстройка с ухудшением стабильности без замены кварцевогорезонаторва.)

Мультивибраторы (генераторы прямоугольных колебаний). Схема.

Мультивибраторомназывается генератор периодически повторяющихся импульсов прямоугольной формы (выполняются на основе триггера Шмита). Мультивибратор является автогенератором и работает без подачи входного сигнала. Рассматриваемый генератор является симметричным и для него длительность импульса и паузы равны t_и=t_n=R₂C×ln(1+ ), при R₃=R₄t_и=t_п=R₂C×ln3, период повторения импульсов Т_п=(t_и+t_п)=2t_и, скважность Q= . Изменяя t=R₂C и величины R₃, R₄, можно регулировать длительность, частоту и амплитуду импульсов.

Предположим, что на выходе напряжение +12В, а на неинвертирующем входе +2В. Конденсатор заряжается через до +2В. Так как напряжение на инвертирующем входе становится больше, чем на неинвертирующем входе, происходит переброс триггера Шмита, на выходе устанавливается максимальное отрицательное напряжение (-12В), на неинвертирующем входе -2В. Конденсатор перезаряжается через до -2В и т.д.

> . при включении питания треггер Шмидта устанавливается в одно из стационарных состояний. НапримерU_вых=+ U_maxвых

U_выхчерез R1 начинает заряжать С1. И как только UC1 станет равным U_А, пройзойдет перенос триггера Шмидта в противоположное состояние и U_вых=- U_maxвых. и это станет перезаряжать конденсатор.

Компенсационные. Параметрические. Достоинства и недостатки.

Компенсационные источники питания. Параметрические. Достоинства и недостатки.

В параметрических стабилизаторах используется постоянство напряжения некоторых видов приборов при изменении протекающеего через них тока. Из полупроводниковых приборов таким свойством обладает стабилитрон. Достоинства: простота. Недостатки: малый коэффициент стабилизации и дискретность значений U_вых

Компенсационныестабилизаторы напряжения обладают более высоким коэффициентом стабилизации и меньшим выходным сопротивлением по сравнению с параметрическими. Их принцип работы основан на том, что изменение напряжения на нагрузке (под действием изменения U_вхили I_н) передается на специально вводимый в схему регулирующий элемент, препятствующий изменению напряжения U_н. Регулирующий элемент может быть включен либо параллельно нагрузке, либо последовательно с ней.

Достоинства: больший коэффициент стабилизации подавления пульсации. Недостатки: часто требуется дополнительный источник питания, склонность к самовозбуждению, сложность.

В зависимости от этого различают: параллельные и последовательные(Достоинства: более высокий кпд при работе на переменную нагрузку, отсутствие потерь мощности при работе без нагрузки¸ недостатки: требуются специальные меры защиты от перегрузок по току и к.з.).

Линейный параметрический параллельный:стабилизирует действие за счет параметров стабилитрона

Достоинства: не боится к.з.

Недостаток: низкий кпд.

Применение: маломощные схемы.

Высокая крутизна обратной ветви ВАХ в области пробоя. Напряжение почти неизменно в широком диапазоне токов.

Линейный параметрический последовательный

Достоинства: высокий кпд.

Недостатки: боится к.з. нагрузки (требует специальных мер по защите от к.з.)

Применение: в схемах, не требующих высокого коэффициента стабилизации.

Линейный компенсационный последовательный

Если напряжение на нагрузке станет больше опорного Uоп, то Uвых уменьшится, а значит уменьшится Uб1, Uэ1 и Uн.