Кварцевый резонатор — структура, принцип работы, как проверить
Современная цифровая техника требует высокой точности, поэтому совсем неудивительно, что практически любое цифровое устройство, какое бы не попалось сегодня на глаза обывателю, содержит внутри кварцевый резонатор.
Кварцевые резонаторы на различные частоты необходимы в качестве надежных и стабильных источников гармонических колебаний, чтобы цифровой микроконтроллер мог бы опереться на эталонную частоту, и оперировать с ней в дальнейшем, в процессе работы цифрового устройства. Таким образом, кварцевый резонатор — это надежная замена колебательному LC-контуру.
Если рассмотреть простой колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности, то быстро выяснится, что добротность такого контура в схеме не превысит 300, к тому же емкость конденсатора будет плавать в зависимости от температуры окружающей среды, то же самое произойдет и с индуктивностью.
Не даром есть у конденсаторов и катушек такие параметры как ТКЕ — температурный коэффициент емкости и ТКИ — температурный коэффициент индуктивности, показывающие, насколько изменяются главные параметры этих компонентов с изменением их температуры.
В отличие от колебательных контуров, резонаторы на базе кварца обладают недостижимой для колебательных контуров добротностью, которая измеряется значениями от 10000 до 10000000, причем о температурной стабильности кварцевых резонаторов речи не идет, ведь частота остается постоянной при любом значении температуры, как правило из диапазона от -40°C до +70°C.
Так, благодаря высоким показателям температурной стабильности и добротности, кварцевые резонаторы применяются всюду в радиотехнике и цифровой электронике.
Для задания микроконтроллеру или процессору тактовой частоты, ему всегда необходим генератор тактовой частоты, на который он мог бы надежно опереться, и генератор этот всегда нужен высокочастотный и при том высокоточный. Здесь то и приходит на помощь кварцевый резонатор. Конечно, в некоторых применениях можно обойтись пьезокерамическими резонаторами с добротностью 1000, и таких резонаторов достаточно для электронных игрушек и бытовых радиоприемников, но для более точных устройств необходим кварц.
В основе работы кварцевого резонатора — пьезоэлектрический эффект, возникающий на кварцевой пластинке. Кварц представляет собой полиморфную модификацию диоксида кремния SiO2, и встречается в природе в виде кристаллов и гальки. В свободном виде в земной коре кварца около 12%, кроме того в виде смесей в составе других минералов также содержится кварц, и в общем в земной коре более 60% кварца (массовая доля).
Для создания резонаторов подходит низкотемпературный кварц, обладающий ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами. Химически кварц весьма устойчив, и растворить его можно лишь в гидрофторидной кислоте. По твердости кварц превосходит опал, но до алмаза не дотягивает.
При изготовлении кварцевой пластинки, от кристалла кварца под строго заданным углом вырезают кусочек. В зависимости от угла среза полученная кварцевая пластинка будет отличаться по своим электромеханическим свойствам.
От типа среза зависит многое: частота, температурная стабильность, устойчивость резонанса и отсутствие либо наличие паразитных резонансных частот. На пластинку затем наносят с обеих сторон по слою металла, коим может быть никель, платина, серебро или золото, после чего жесткими проволочками крепят пластинку в основание корпуса кварцевого резонатора. Последний шаг — корпус герметично собирают.
Так получается колебательная система, обладающая собственной резонансной частотой, и кварцевый резонатор, полученный таким образом, обладает собственной резонансной частотой, определяемой электромеханическими параметрами.
Теперь если приложить к металлическим электродам пластики переменное напряжение данной резонансной частоты, то проявится явление резонанса, и амплитуда гармонических колебаний пластинки весьма значительно возрастет. При этом сопротивление резонатора сильно понизится, то есть процесс аналогичен происходящему в последовательном колебательном контуре. В силу высокой добротности такого «колебательного контура», энергетические потери при его возбуждении на резонансной частоте пренебрежимо малы.
На эквивалентной схеме: C2 – статическая электроемкость пластинок с держателями, L – индуктивность, С1 — емкость, R – сопротивление, отражающие электромеханические свойства установленной пластинки кварца. Если убрать монтажные элементы, останется последовательный LC-контур.
В процессе монтажа на печатную плату, кварцевый резонатор нельзя перегревать, ведь конструкция его довольно хрупка, и перегрев может привести к деформации электродов и держателя, что непременно отразится на работе резонатора в готовом устройстве. Если же разогреть кварц до 5730°C, он вовсе утратит свои пьезоэлектрические свойства, но, к счастью, нагреть элемент паяльником до такой температуры невозможно.
Обозначение кварцевого резонатора на схеме похоже на обозначение конденсатора с прямоугольником между пластинами (кварцевая пластинка), и с надписью «ZQ» или «Z».
Часто причиной повреждения кварцевого резонатора является падение или сильный удар устройства, в котором он установлен, и тогда необходимо заменить резонатор на новый с той же резонансной частотой. Такие повреждения свойственны малогабаритным приборам, которые легко уронить. Однако, по статистике, подобные повреждения кварцевых резонаторов встречаются крайне редко, и чаще неисправность прибора оказывается вызвана иной причиной.
Чтобы проверить кварцевый резонатор на исправность, можно собрать небольшой пробник, который поможет не только убедиться в работоспособности резонатора, но и увидеть его резонансную частоту. Схема пробника представляет собой типичную схему кварцевого генератора на одном транзисторе.
Включив резонатор между базой и минусом (можно через защитный конденсатор на случай короткого замыкания в резонаторе), остается измерить частотомером резонансную частоту. Эта схема подойдет и для предварительной настройки колебательных контуров.
Когда схема включена, исправный резонатор станет способствовать генерации колебаний, и на эмиттере транзистора можно будет наблюдать переменное напряжение, частота которого будет соответствовать основной резонансной частоте тестируемого кварцевого резонатора.
Подключив к выходу пробника частотомер, пользователь сможет наблюдать эту резонансную частоту. Если частота стабильна, если небольшой нагрев резонатора поднесенным паяльником не приводит к сильному уплыванию частоты, то резонатор исправен. Если же генерации не будет, или частота будет плавать или окажется совсем другой, чем должна быть для тестируемого компонента, то резонатор неисправен, и его следует заменить.
Данный пробник удобен и для предварительной настройки колебательных контуров, в этом случае конденсатор C1 обязателен, хотя при проверке резонаторов его можно из схемы исключить. Контур просто подключается вместо резонатора, и схема начинает генерировать колебания аналогичным образом.
Пробник собранный по приведенной схеме замечательно работает на частотах от 15 до 20 МГц. Для иных диапазонов вы всегда можете поискать схемы в интернете, благо их там много, как на дискретных компонентах, так и на микросхеме.
Андрей Повный, редактор сайта Электрик Инфо
- Биполярные и полевые транзисторы — в чем различие
- Чем отличаются аналоговые и цифровые датчики
- Как подобрать аналог транзистора
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника
Подписывайтесь на канал в Telegram про электронику для профессионалов и любителей: Практическая электроника на каждый день
Поделитесь этой статьей с друзьями:
Кварцевый резонатор
Кварцевые резонаторы
В современной электронике, особенно в цифровой сложно не найти электронный компонент под названием кварцевый резонатор. По своей сути, кварцевый резонатор является аналогом колебательного контура на основе ёмкости и индуктивности. Правда, кварцевый резонатор превосходит LC-контур по очень важным параметрам.
Как известно, колебательный контур характеризуется добротностью . Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой добротностью, которая недостижима при использовании обычного колебательного LC-контура. Если добротность обычных контуров лежит в пределах 100 – 300, то для кварцевых резонаторов величина добротности достигает 10 5 – 10 7 .
Ёмкость конденсатора довольно сильно зависит от температуры окружающей среды. У конденсаторов даже есть параметр, который называется ТКЕ (температурный коэффициент ёмкости). Он показывает насколько измениться ёмкость конденсатора при изменении температуры.
Естественно, при применении конденсатора в составе LC-контура, частота его колебаний будет очень сильно зависеть от внешней температуры среды. То же касается и индуктивности, у которой также есть своя температурная характеристика – ТКИ.
Понятно, что для использования в цифровой технике (в том числе и в технике связи) требуется более стабильный и надёжный источник гармонических колебаний.
Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой температурной стабильностью . Именно благодаря высокой добротности и температурной стабильности кварцевые резонаторы применяются в радиотехнике очень активно.
Любой процессор или микроконтроллер работает на определённой тактовой частоте. Понятно, что для задания тактовой частоты необходим генератор. Такой генератор в качестве источника высокоточных гармонических колебаний, как правило, использует кварцевый резонатор. В тех схемах, где высокая добротность не требуется, могут применяться резонаторы на основе керамики – керамические резонаторы. Добротность резонаторов на основе пьезокерамики составляет не более 10 3 . Их можно встретить в пультах дистанционного управления, электронных игрушках, бытовых радиоприёмниках.
Принцип работы кварцевого резонатора.
Принцип работы кварцевого резонатора целиком и полностью опирается на пьезоэлектрический эффект . Основой любого кварцевого резонатора является пластинка из кварца. Кварц – это одна из разновидностей кремнезема SiO2 . Для изготовления резонаторов пригоден только лишь низкотемпературный кварц, который обладает пьезоэлектрическими свойствами. В природе такой кварц встречается в виде кристаллов и бесформенной гальки.
Кристалл кварца
Химически кварц очень устойчив и не растворяется ни в одной из кислот, за исключением плавиковой. Также кварц очень твёрдый. На шкале твёрдости он занимает седьмое место из десяти.
Чтобы изготовить кварцевую пластинку берётся кристалл кварца и из него под определённым углом вырезается пластинка. От угла, под которым происходит срез, зависят электромеханические свойства кварцевой пластины. Тип среза существенно влияет на температурную стабильность, количество паразитных резонансов, резонансную частоту.
Далее на две стороны кварцевой пластины наносят металлизированный слой (из серебра, никеля, золота или платины) и посредством жёстких проволочных контактов закрепляют в кварцедержателе. Всю эту конструкцию помещают в герметичный корпус.
Кварцевый резонатор является электромеханической колебательной системой. Как известно, любая колебательная система обладает своей резонансной частотой . У кварцевого резонатора также есть своя номинальная резонансная частота . Если приложить к кварцевой пластине переменное напряжение, которое совпадает с резонансной частотой самой кварцевой пластины, то происходит резонанс частот и амплитуда колебаний резко возрастает.
При резонансе электрическое сопротивление резонатора уменьшается. В результате получается эквивалент последовательной колебательной системы. Поскольку потери энергии в кварцевом резонаторе очень малы, то он фактически представляет собой электрический колебательный контур с очень большой добротностью .
Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора изображена на рисунке.
Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора
Здесь С0 – это постоянная (статическая) ёмкость образующаяся за счёт металлических пластин-электродов и держателя. Последовательно соединённые индуктивность L1,конденсатор С1 и активное сопротивление Rакт. отражают электромеханические свойства кварцевой пластинки. Как видим, если отбросить ёмкость монтажа и кварцедержателя С0, то получиться последовательный колебательный контур.
При монтаже кварцевого резонатора на печатную плату стоит позаботиться о том, чтобы не перегреть его. Эта рекомендация наверняка связана с тем, что конструкция кварцевого резонатора довольно тонкая. Температурный перегрев может вызвать деформацию кварцедержателя и пластинок-электродов. Естественно, всё это может отразиться на качестве работы резонатора в схеме.
Также известно, что если кварц нагреть свыше 573°C, то он превращается в высокотемпературный кварц и лишается своих пьезоэлектрических свойств. Конечно, довести температуру кварца до такой температуры оборудованием для пайки нереально.
Обозначение кварцевого резонатора.
На принципиальных схемах и в технической документации кварцевый резонатор обозначается наподобие конденсатора, только между пластинами добавлен прямоугольник, который символизирует пластинку кварца. Рядом с графическим изображением указывается буква Z или ZQ.
Условное обозначение кварцевого резонатора на схемах
Как проверить кварцевый резонатор?
Многие начинающие радиолюбители задаются вопросом: “Как проверить кварцевый резонатор?”
К сожалению, достоверно проверить кварцевый резонатор можно только заменой. Причиной неисправности кварцевого резонатора может быть сильный удар либо падение электронного прибора, в котором он был установлен. Поэтому если есть подозрение в исправности кварцевого резонатора, то его стоит заменить новым. К счастью в практике ремонта неисправность кварцевого резонатора встречается редко, конечно, есть и исключения, но они относятся к портативной электронике, которую частенько роняют.
Более подробную информацию о кварцевых резонаторах вы узнаете из книги, которую найдёте здесь.
Кварцевые резонаторы: назначение, применение, принцип работы, особенности использования
Современная цифровая электроника, изобилующая микропроцессорами и микроконтроллерами, просто немыслима без тактовых колебаний. А где получение тактовых колебаний — там функционирование генератора и колебательной системы, и где колебательная система — там обязательно проявляют себя и явление резонанса и такой важный параметр как добротность. Здесь то и знакомимся мы с кварцевыми резонаторами (генераторами).
Кварцевый резонатор (кварц) — генератор электромагнитных колебаний с высокой степенью постоянства частоты, в котором используются пьезоэлектрические и механические свойства кварцевой пластинки.
По принципу работы кварцевый резонатор является автогенератором с кварцевой стабилизацией частоты. Такие генераторы применяется как высокостабильный генератор задающий в измерительной аппаратуре, эталонах частоты и времени, кварцевых часах, а также в различной электронной аппаратуре.
Недостаток кварцевых резонаторов заключается в том, что он может генерировать только на фиксированных частотах, определяемых резонансной частотой кварца, и практически не допускает перестройки частот.
Все схемы кварцевые резонаторы подразделяются на две большие группы в зависимости от того, какой вид резонанса кварца (параллельный или последовательный) в них применен. Наибольшее распространение получили схемы кварцевые резонаторы, в которых кварц работает вблизи своей частоты параллельного резонанса.
Итак, кварцевый резонатор в электронной схеме выступает непревзойденной альтернативой любому колебательному контуру, состоящему из конденсатора и катушки индуктивности. Суть в высочайшей добротности кварцевых резонаторов. Тогда как хороший LC-контур достигает добротности 300, добротность кварцевого резонатора может доходить до 10000000. Как видим, превосходство составляет десятки тысяч раз. Таким образом, ни один колебательный контур не сравнится с кварцевым резонатором по добротности.
Что и говорить о влиянии температуры на резонансную частоту. Резонансная частота того же колебательного контура сильно зависит от ТКЕ (температурного коэффициента емкости) входящего в него конденсатора. Кварц же обладает очень высокой температурной стабильностью, именно по этой причине кварцевые резонаторы прочно удерживают свои позиции в роли источников колебаний для генераторов тактовой частоты различного назначения.
Как работает кварцевый резонатор
Чтобы понять как устроен и работает кварцевый резонатор, достаточно вспомнить о том, что такое пьезоэлектрический эффект. Представьте себе пластинку низкотемпературного кварца (диоксид кремния), вырезанную из кристалла определенным образом. То, под каким углом данная пластинка вырезана из кристалла, определяет электромеханические свойства изготавливаемого резонатора. Теперь на эту пластинку с двух сторон прикрепляют электроды, путем нанесения слоев никеля, платины, золота или серебра, а к ним присоединяют жесткие проволочные выводы. Всю конструкцию помещают в небольшой герметичный корпус.
Итак, получилась электромеханическая колебательная система, обладающая (благодаря природным особенностям низкотемпературного кварца) пьезоэлектрическим эффектом, и имеющая собственную резонансную частоту.
Если теперь на электроды подать переменное напряжение, частота которого близка к резонансной частоте полученной колебательной системы, то пластинка начнет механически сжиматься-расширяться с максимальной амплитудой, причем благодаря пьезоэлектрическому эффекту, чем ближе частота прикладываемого напряжения к резонансу — тем меньше будет сопротивление резонатора. В этом и заключается сходство кварцевого резонатора с высокодобротным колебательным контуром. Получился по сути аналог последовательного LC-контура.
Особенности кварцевого резонатора
Кварцевый резонатор можно представить в виде эквивалентной схемы, в которой C0-это монтажная электроемкость, образуемая металлическими выводами-держателями и электродами. C1, L и R – это емкость, индуктивность и активное сопротивление непосредственно пластинки с электродами, как аналога реального колебательного контура, получаемого за счет электромеханических свойств пластинки.
Если исключить из схемы монтажную емкость C0, то получится в явном виде последовательный колебательный контур. Что же касается обозначения резонатора на схеме, то он похож на конденсатор с прямоугольником, символизирующим кристалл кварца, между обкладками.
В процессе монтажа и демонтажа кварцевых резонаторов на платы путем пайки, следует помнить, что перегрев кварца выше 573°C чреват утратой кристаллом пьезоэлектрических свойств.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
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:
- Импеданс минимален по сравнению с другими частотными периодами.
- Импеданс равен сопротивлению последовательного резистора.
- 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;
XL1 — последовательная индуктивность цепи
XC1 — 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 XL — 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.