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.

Внешний вид кварцевого резонатора и его эквивалентная схема

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

Обозначение кварцевого резонатора на схемах

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).

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:

XC1 = 1/2πfC1

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

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

XC2 = 1/2πfC2

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

В случае расчета последовательного и параллельного импеданса формулы будут следующими:

Формулы для расчета последовательного и параллельного импеданса

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

Зависимость выходного импеданса от частоты в кварцевом резонаторе

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:

XS = R2 + (XL1 - XC1)2

где R - значение сопротивления;

XL1 — последовательная индуктивность цепи

XC1 — последовательная емкость цепи.

Параллельное емкостное реактивное сопротивление цепи будет равно:

XCP = -1/2πfCp

Параллельное реактивное сопротивление цепи будет равно:

Xp = Xs * Xcp/(Xs *+Xcp)

Его график будет выглядеть следующим образом:

График зависимости реактивного сопротивления кристалла от частоты

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:

Формулы для расчета последовательной и параллельной резонансной частоты кварцевого резонатора

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:

Q = XL/R = 2πfsL1/R

где X — 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:

Последовательная резонансная частота кристалла в нашем примере

Параллельная резонансная частота кристалла fp будет равна:

Параллельная резонансная частота кристалла в нашем примере

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:

Добротность нашего кристалла

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

Схема кварцевого генератора 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

Схема кварцевого генератора 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.

Схема КМОП-генератора

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.

Схема подключения кварцевого резонатора к микроконтроллеру (микропроцессору)

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.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
639 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *