Oscilator de cristal

Oscilator de cristal
Un mic cristal de cuarț de 16 MHz închis ermetic într-un pachet HC-49 / SUA, folosit ca rezonator într-un oscilator de cuarț.
Tip	Electromecanică
Principiul de funcționare	piezoelectricitate și rezonanță
Inventat de	Walter Guyton Cady și Alexander M. Nicholson (1921)
Simbol electric

Vezi: componentă electronică
Manual

Un oscilator de cristal este un circuit electronic care utilizează rezonanța mecanică a unui cristal piezoelectric vibrant pentru a obține un semnal electric caracterizat printr-o frecvență foarte precisă. Această frecvență este utilizată în mod obișnuit pentru a menține sincronizarea (ca la ceasurile cu cuarț ), pentru a obține un semnal de ceas stabil pentru circuitele digitale integrate și pentru a stabiliza frecvența semnalelor din emițătoarele radio .

Istorie

Același subiect în detaliu: oscilator electromecanic .

Forma tradițională și cea mai comună a rezonatorului piezoelectric utilizat în electronică a fost cristalul de cuarț, utilizat în așa-numitele oscilatoare cu cuarț . Piezoelectricitatea a fost descoperită de Jacques și Pierre Curie în 1880 . Paul Langevin în timpul primului război mondial a studiat utilizarea rezonatoarelor de cuarț în sonare . Primul oscilator electronic controlat de un cristal, mai precis o sare Rochelle , a fost construit în 1917 și brevetat în 1918 ^[1] de Alexander M. Nicholson de la Bell Laboratories , deși această prioritate a fost pusă sub semnul întrebării de Walter Guyton Cady ^[2] . Cady a construit primul oscilator cuarț în 1921 ^[3] . Alți inovatori timpurii ai tehnologiei oscilatoarelor de cuarț au fost GW Pierce și Louis Essen .

Oscilatoarele de cuarț au fost dezvoltate pentru a obține referințe cu stabilitate de frecvență ridicată în anii 1920 și 1930 . Din 1926, oscilatoarele cu cuarț au fost folosite pentru a controla frecvența posturilor de radio și au devenit populare în rândul radioamatorilor ^[4] . Unele companii au început să producă cristale de cuarț în această perioadă. Folosind metode care acum ar fi numite primitive, 100.000 de cristale de cuarț au fost produse în Statele Unite în 1939 . Prin urmare, acest material a devenit foarte important în timpul războiului și majoritatea a fost importat din Brazilia .

Deși materialul ales pentru oscilatoare este adesea cuarț, rezonatoarele care folosesc și alte materiale de tip ceramică devin din ce în ce mai frecvente.

Operațiune

Interiorul unui cristal modern de cuarț de înaltă performanță, într-un container HC-49.

Un cristal este un solid în care atomii , moleculele sau ionii care îl constituie sunt aranjați într-o ordine regulată, repetată în toate cele trei dimensiuni spațiale.

Când un cristal de cuarț este tăiat și montat în mod corespunzător, acesta poate fi utilizat pentru a distorsiona un câmp electric prin aplicarea unei tensiuni prin intermediul unui electrod în apropierea sau deasupra cristalului. Această proprietate se numește piezoelectricitate. Când câmpul este îndepărtat, cuarțul generează un câmp electric până când revine la forma sa anterioară, iar acest fenomen generează o tensiune. Rezultatul este că cristalul de cuarț se comportă ca un circuit compus dintr-un inductor , un condensator și un rezistor , cu o frecvență de rezonanță precisă (similară cu un circuit RLC ).

Cuarțul are avantajul suplimentar că constantele sale elastice și dimensiunea sa se schimbă în așa fel încât dependența frecvenței de temperatură este foarte scăzută. Caracteristica specifică depinde de modul de vibrație și de unghiul la care cristalul a fost tăiat (în raport cu axele sale cristalografice ) ^[5] . În acest fel, frecvența de rezonanță a cristalului nu se modifică semnificativ. Aceasta înseamnă că un ceas, filtru sau oscilator cuarț rămâne întotdeauna corect. Pentru aplicații critice, un exemplu tipic de frecvențe de înaltă clasă, oscilatorul de cuarț este introdus într-un recipient cu temperatură controlată, numit cuptor de cristal ( TCXO ) și poate fi montat pe un amortizor pentru a preveni efectele oricăror vibrații mecanice provenind din „extern.

Practic orice obiect dintr-un material elastic poate fi folosit ca un cristal, cu traductoare adecvate, deoarece toate obiectele au frecvențe rezonante naturale. De exemplu, oțelul este foarte elastic și se caracterizează printr-o viteză mare de propagare a sunetului. Prin urmare, este adesea folosit în filtrele mecanice înainte de cuarț. Frecvențele rezonante depind de mărimea, forma, elasticitatea și viteza sunetului din material. Cristalele caracterizate prin frecvențe de rezonanță ridicate sunt adesea tăiate în forma unei plăci dreptunghiulare simple. Pe de altă parte, cei cu frecvență joasă, cum ar fi cei utilizați în ceasurile digitale, sunt tăiați în formă de diapazon . Pentru aplicațiile care nu necesită o sincronizare foarte precisă, se folosește adesea un rezonator ceramic cu costuri reduse, mai degrabă decât un cristal de cuarț.

Cristalele de cuarț utilizate pentru sincronizare sunt produse pentru frecvențe cuprinse între câteva zeci de kiloherți și zeci de megaherți. Majoritatea cristalelor de cuarț produse sunt utilizate în dispozitive precum ceasurile de mână , aparatele de radio , computerele și telefoanele mobile , dar se găsesc și în echipamentele de testare și măsurare precum contoare, generatoare de semnal și osciloscoape .

Circuit electric

Evident, este necesar un circuit electric pentru a face oscila un cuarț

Oscilatorul Pierce

Exemplu simplificat de oscilator Pierce

Exemplul tipic al unui oscilator cuarț cu rezonanță paralelă este Pierce prezentat aici în toată simplitatea și fiabilitatea sa

Oscilator Butler

Butler este un oscilator de rezonanță de serie de foarte înaltă calitate destinat numai producției de instrumente și sisteme de măsurare în care sunt necesare performanțe de stabilitate și F (150) foarte ridicate, cu defectul de a avea un circuit care să fie calibrat adesea individual.

Articol specific: Oscilator Butler

Modelare

Model electric

Circuit echivalent care modelează un cuarț în interiorul unui oscilator.

Un cristal de cuarț poate fi modelat ca o rețea electrică cu o serie de impedanțe de punct de rezonanță scăzută și o impedanță de punct înalt paralelă foarte frecventă. Matematic, folosind Transformarea Laplace , impedanța acestei rețele poate fi scrisă ca:

Z(s)=\left({{\frac {1}{s\cdot C_{1}}}+s\cdot L_{1}+R_{1}}\right)||\left({\frac {1}{s\cdot C_{0}}}\right)

{\ displaystyle Z (s) = \ left ({{\ frac {1} {s \ cdot C_ {1}}} + s \ cdot L_ {1} + R_ {1}} \ right) || \ left ( {\ frac {1} {s \ cdot C_ {0}}} \ right)}

{\ displaystyle Z (s) = \ left ({{\ frac {1} {s \ cdot C_ {1}}} + s \ cdot L_ {1} + R_ {1}} \ right) || \ left ( {\ frac {1} {s \ cdot C_ {0}}} \ right)}

acesta este:

Z(s)={\frac {s^{2}+s{\frac {R_{1}}{L_{1}}}+{\omega _{s}}^{2}}{(s\cdot C_{0})[s^{2}+s{\frac {R_{1}}{L_{1}}}+{\omega _{p}}^{2}]}}

{\ displaystyle Z (s) = {\ frac {s ^ {2} + s {\ frac {R_ {1}} {L_ {1}}} + {\ omega _ {s}} ^ {2}} { (s \ cdot C_ {0}) [s ^ {2} + s {\ frac {R_ {1}} {L_ {1}}} + {\ omega _ {p}} ^ {2}]}}}

{\ displaystyle Z (s) = {\ frac {s ^ {2} + s {\ frac {R_ {1}} {L_ {1}}} + {\ omega _ {s}} ^ {2}} { (s \ cdot C_ {0}) [s ^ {2} + s {\ frac {R_ {1}} {L_ {1}}} + {\ omega _ {p}} ^ {2}]}}}

\Rightarrow \omega _{s}={\frac {1}{\sqrt {L_{1}\cdot C_{1}}}},\quad \omega _{p}={\sqrt {\frac {C_{1}+C_{0}}{L_{1}\cdot C_{1}\cdot C_{0}}}}=\omega _{s}{\sqrt {1+{\frac {C_{1}}{C_{0}}}}}\approx \omega _{s}\left(1+{\frac {C_{1}}{2C_{0}}}\right)\quad (C_{0}\gg C_{1})

{\ displaystyle \ Rightarrow \ omega _ {s} = {\ frac {1} {\ sqrt {L_ {1} \ cdot C_ {1}}}}, \ quad \ omega _ {p} = {\ sqrt {\ frac {C_ {1} + C_ {0}} {L_ {1} \ cdot C_ {1} \ cdot C_ {0}}}} = \ omega _ {s} {\ sqrt {1 + {\ frac {C_ {1}} {C_ {0}}}}} \ approx \ omega _ {s} \ left (1 + {\ frac {C_ {1}} {2C_ {0}}} \ right) \ quad (C_ { 0} \ gg C_ {1})}

{\ displaystyle \ Rightarrow \ omega _ {s} = {\ frac {1} {\ sqrt {L_ {1} \ cdot C_ {1}}}}, \ quad \ omega _ {p} = {\ sqrt {\ frac {C_ {1} + C_ {0}} {L_ {1} \ cdot C_ {1} \ cdot C_ {0}}}} = \ omega _ {s} {\ sqrt {1 + {\ frac {C_ {1}} {C_ {0}}}}} \ approx \ omega _ {s} \ left (1 + {\ frac {C_ {1}} {2C_ {0}}} \ right) \ quad (C_ { 0} \ gg C_ {1})}

unde este $s$ ${\ displaystyle s}$ $s$ este frecvența complexă ( $s=j\omega$ ${\ displaystyle s = j \ omega}$ $s = j \ omega$ ), $\omega _{s}$ ${\ displaystyle \ omega _ {s}}$ ${\ displaystyle \ omega _ {s}}$ este pulsația rezonanței seriale e $\omega _{p}$ ${\ displaystyle \ omega _ {p}}$ $\ omega _ {p}$ este pulsația de rezonanță paralelă.

Moduri de rezonanță

Un cristal de cuarț are atât o serie cât și o rezonanță paralelă. Rezonanța seriei este cu câțiva kilohertz mai mică decât rezonanța paralelă. Cristalele sub 30 MHz funcționează, în general, între rezonanță serie și paralelă; aceasta înseamnă că cristalul are o reactanță de tip inductiv . Adăugarea unei capacități suplimentare capetelor de cristal are ca rezultat o schimbare paralelă în jos a rezonanței. Aceasta poate fi utilizată pentru a regla frecvența la care rezonează oscilatorul. În mod normal, producătorii de cristale își taie și își ajustează cristalele pentru a obține o frecvență rezonantă specifică, cu o sarcină capacitivă cunoscută adăugată la componentă. De exemplu, un cristal de 6 pF 32 kHz are o rezonanță paralelă de 32768 Hz dacă i se adaugă o capacitate de 6,0 pF. Fără această capacitate, frecvența sa de rezonanță ar fi mai mare.

Limita practică pentru un rezonator de cristal "simplu" este de aproximativ 30 MHz, ceea ce corespunde grosimii minime de cuarț care poate fi obținută. Cristalele pentru frecvențe mai mari (până la> 200 MHz) sunt compuse dintr-un număr impar de plăci identice lipite între ele (cuarț „supratonal” ) și funcționează la o frecvență multiplă cu cea a plăcilor componente: un cuarț compus din trei plăci va oscila la o frecvență de trei ori mai mare decât a plăcilor componente. Sunt utilizate în general în rezonanța în serie, unde impedanța este minimă și egală cu rezistența în serie. Pentru aceste cristale, rezistența serie (<100 Ω) este specificată în locul capacității paralele. Pentru a obține frecvențe mai mari, cristalul poate fi făcut să rezoneze într-unul dintre modurile sale superioare, la frecvențe multiple (armonice) decât cel al rezonanței fundamentale. În special, se utilizează numai armonii impare. Aceste cristale sunt numite, de exemplu, a treia, a cincea sau chiar a șaptea cristale armonice. Pentru a realiza acest lucru, circuitul oscilatorului conține, de obicei, și un alt circuit LC pentru selectarea armonicii superioare dorite.

Efecte termice

Caracteristica frecvenței cristalului depinde de forma și tăietura cu care a fost fabricat. Un cristal în formă de diapazon este de obicei tăiat astfel încât caracteristica frecvență-temperatură să fie o curbă parabolică centrată în jurul a 25 ° C. Aceasta înseamnă că un oscilator care utilizează un astfel de cristal va rezona la frecvența specificată la temperatura camerei, dar va oscila mai lent atât la temperaturi mai ridicate, cât și la temperaturi mai scăzute. Un coeficient tipic de parabolă pentru un cristal în formă de diapazon la 32 kHz este −0,04 ppm / ° C².

f=f_{0}[1-0{,}04\ {\mbox{ppm}}(T-T_{0})^{2}]

{\ displaystyle f = f_ {0} [1-0 {,} 04 \ {\ mbox {ppm}} (T-T_ {0}) ^ {2}]}

{\ displaystyle f = f_ {0} [1-0 {,} 04 \ {\ mbox {ppm}} (T-T_ {0}) ^ {2}]}

În aplicațiile din lumea reală, acest lucru înseamnă că un ceas care utilizează un astfel de oscilator cuarț va menține o sincronizare bună la temperatura camerei, în timp ce pierde 2 minute pe an la 10 ° C peste sau sub această temperatură și 8 minute pe an la 20 ° C. diferență .

Notă

^ Alexander M. Nicholson, Generarea și transmiterea curenți electrici , US Patent No. 2212845, baze de date de brevete online, US Patent și Mărci . Adus la 19 martie 2009 (arhivat din original la 30 decembrie 2007) . .
^ Virgil E. Bottom, O istorie a industriei cristalelor de cuarț din SUA , Proc. 35th Frequency Control Symp. , IEEE, 1981 (arhivat din original la 20 septembrie 2008) .
^ Warren Marrison, The Evolution of the Quartz Crystal Clock , în Bell System Technical Journal , vol. 27, AT&T, 1948, pp. 510–588 (arhivat din original la 13 mai 2007) .
^ Copie arhivată , la ieee-uffc.org . Adus la 20 septembrie 2008 (arhivat din original la 20 septembrie 2008) . O istorie a industriei cristalelor de cuarț în SUA, Virgil E. Bottom, din Proceedings of the 35th Annual Frequency Control Symposium 1981, recuperat pe 19 iunie 2008
^ Virgil E Bottom, Introduction to Quartz Crystal Unit Design , Van Nostrand Reinhold, 1982, ISBN 978-0-442-26201-3 .

Bibliografie

Ulrich L. Rohde „Sintetizatoare cu microunde și wireless: teorie și design”, John Wiley & Sons, august 1997, ISBN 0-471-52019-5

Elemente conexe

Oscilator electromecanic

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe oscilatorul de cristal

linkuri externe

Introducere în standarde privind frecvențele de cuarț. , la ieee-uffc.org . Adus la 19 martie 2009 (arhivat din original la 20 septembrie 2008) .
Notă de aplicație pe cristale de cuarț. , la speed.sii.co.jp . Adus la 19 martie 2009 (arhivat din original la 6 decembrie 2008) .
Ce este un dispozitiv cu cristale de cuarț? , la qiaj.jp , conf. industria de cristal de cuarț conf. univ. din Japonia, 2007. Adus la 10 august 2008 .
Frerking Marvin E., Cincizeci de ani de progres în standardele de frecvență ale cristalelor de cuarț , Proc. 1996 IEEE Frequency Control Symposium , Institute of Electrical and Electronic Engineers, 1996, pp. p.33-46. Adus la 10 august 2008 (depus de 'url original 15 septembrie 2008).

Controlul autorității	Thesaurus BNCF 25497 · GND (DE) 4176631-3

Portal de inginerie : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de inginerie

[1] Alexander M. Nicholson, Generarea și transmiterea curenți electrici , US Patent No. 2212845, baze de date de brevete online, US Patent și Mărci . Adus la 19 martie 2009 (arhivat din original la 30 decembrie 2007) . .

[2] Virgil E. Bottom, O istorie a industriei cristalelor de cuarț din SUA , Proc. 35th Frequency Control Symp. , IEEE, 1981 (arhivat din original la 20 septembrie 2008) .

[3] Warren Marrison, The Evolution of the Quartz Crystal Clock , în Bell System Technical Journal , vol. 27, AT&T, 1948, pp. 510–588 (arhivat din original la 13 mai 2007) .

[4] Copie arhivată , la ieee-uffc.org . Adus la 20 septembrie 2008 (arhivat din original la 20 septembrie 2008) . O istorie a industriei cristalelor de cuarț în SUA, Virgil E. Bottom, din Proceedings of the 35th Annual Frequency Control Symposium 1981, recuperat pe 19 iunie 2008

[5] Virgil E Bottom, Introduction to Quartz Crystal Unit Design , Van Nostrand Reinhold, 1982, ISBN 978-0-442-26201-3 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

V · D · M Componente electronice și electrice
Dispozitiv semiconductor	Circuit integrat · CMOS · Diodă ( avalanșă · DIAC · PIN · Schottky · Varicaps · LED · Triac · Zener ) · dispozitiv multiport · FET · Un fotodetector (SCR) · JFET · memristor · MOSFET ( putere ) · Transistor ( Tiristor · Transistor bipolar de joncțiune (BJT) · Tranzistor Darlington · tranzistor bipolar cu poartă izolată · Unistor de tranzistor
Regulator de voltaj	Convertor Boost · dolar Convertor · convertor Buck-boost · Convertor Cuk · Convertor Sepic · pompa de încărcare · regulator liniar
Tub de vid	Fotomultiplicator · Tub Foto · Gyrotron · clistron · magnetron · Maser · Nuvistor · tetroda · Călătorind tub val · tub Williams
Tub cu raze catodice (CRT)	Iconoscop · Monoscopio · Magic Eye · Cameră tub
Conductă de gaz plină	Cu catod rece lămpi fluorescente (CCFL) · Crossatron · Dekatron · GM · ignitrons · krytron · Lampa neon · Nixie · Rectifier mercur · tiratronice · Trigatron
Dispozitiv pasiv	Conectori (conector electric · Conectori RF ) · Cablu electric · Sârmă · Întrerupător de circuit · întrerupător · Potențiometru · Rezistor · termistor · Transformator · Varistor
Reactanţă	Condensator · Inductor · Comutator cu mercur · Oscilator de cristal · Releu