Поэтому велись работы по увеличению стабильности частотозадающих элементов. В результате удалось получить стабильность на два порядка выше при применении в качестве частотозадающих элементов генераторы кварцевых резонаторов. При этом можно обеспечить относительную стабильность частоты генератора от 10-5 до 10-8.
Кварцевый резонатор применяется в гетеродинах радиоприемников в качестве частотозадающего колебательного резонансного LC контура. Благодаря малым потерям энергии в данном резонаторе удается достигнуть добротности порядка нескольких тысяч.
Рассмотрим, как устроены кварцевые резонаторы, и на каких принципах они работают. Кварцевые кристаллы известны в природе как горный хрусталь, аметист или раухтопаз. В качестве примера на рисунке 1 приведена фотография друзы кристаллов раухтопаза.
Рисунок 1. Внешний вид кварцевых кристаллов
Добываются природные кристаллы кварца в основном на рудниках Бразилии. Природные кристаллы кварца содержат в себе большое число неоднородностей. Кроме того, они дороги, поэтому в настоящее время в основном применяются искусственно выращенные кристаллы кварца. . Кварцевые кристаллы выращиваются из щелочных растворов в автоклавах при температуре 400 C° и давлении около 2000 атм. Процесс выращивания кристалла длится от 30 до 45 дней.
Особенностью кристалла кварца является то, что он обладает пьезоэффектом. Пьезоэффект обуславливается особым строением кристалла кварца. Он представляет собой правильную шестиугольную призму. Схематически расположение ионов кислорода и кремния в кристалле кварца изображено на рисунке 2.
Рисунок 2. Расположение ионов кислорода и кремния в кристалле кварца
В кристалле явным образом наблюдается электрическая ось x и механическая ось y. При сжатии кристалла вдоль механической оси y ионы отрицательные кислорода вытесняются с одной стороны, а положительные ионы кремния с другой. В результате возникает разность потенциалов. Сжатие или растяжение по оси Z не вызывает появления зарядов на гранях.
Благодаря симметричности кристалла кварца механическую и электрическую оси можно провести тремя разными способами. Эффект при этом не изменится. На рисунке 3 показано, как нужно вырезать пластинку из кристалла кварца для того, чтобы на ее краях возникала разность потенциалов.
Рисунок 3. эквивалентная схема кварцевого резонатора
В кристаллах кварца, как и в других пьезоэлектриках, кроме прямого пьезоэффекта, присутствует обратный пьезоэффект. Он заключается в том, что при подаче разности потенциалов вдоль оси x происходит сжатие или растяжение кристалла вдоль оси y.
Если толщина пластины при этом будет равна половине длины объемной звуковой волны в кварце, то в кварце возникают резонансные колебания. Кварцевый кристалл ведет себя при этом подобно электрическому резонансному LC контуру. Благодаря малым потерям в кристалле его добротность достигает значения несколько тысяч.
Механические колебания кристалла кварца могут осуществляться по толщине (основной режим радиочастотных резонаторов), происходить сдвиг поверхности кристалла (фильтры на поверхностных акустических волнах) либо производиться изгиб кварцевой пластинки (часовые резонаторы). Основные режимы механических колебаний кварцевого кристалла приведены на рисунке 4.
Рисунок 4. Основные режимы колебания кристалла в резонаторе
При практическом применении кварцевых резонаторов в возбудителях передатчиков гетеродинах приемников систем мобильной радиосвязи очень важна зависимость их собственной резонансной частоты от температуры. Эта зависимость меняется в широких пределах в зависимости от вида колебаний кварцевой пластинки и от угла ее среза относительно кристаллографических осей X, Y и Z.
Различные виды срезов пластин кварца по отношению к кристаллографическим осям кварцевого кристалла, применяющихся при изготовлении кварцевых резонаторов, приведены на рисунке 5.
Рисунок 5. Виды срезов кварца по отношению к осям кристалла
XT срез кристалла производится перпендикулярно кристаллографической оси X. Этот срез кристалла применяется для производства кварцевых резонаторов для часов на частоту 32768 кГц. Эти резонаторы конструктивно выполняются в виде камертона.
Зависимость ухода частоты частоты резонатора от температуры для XT среза кварцевого кристалла приведена на рисунке 6.
Рисунок 6. Зависимость ухода частоты от температуры для XT среза
Для того, чтобы разобраться с этим явлением, вспомним эквивалентную схему кварцевого резонатора и характеристику зависимости сопротивления кварцевого резонатора от частоты. Эквивалентная схема кварцевого резонатора приведена на рисунке 4.
Рисунок 7 - эквивалентная схема кварцевого резонатора
Рисунок 8 - Схема кварцевого генератора на биполярном транзисторе
В этой схеме кварцевый резонатор Z1 применяется вместо катушки индуктивности.
Источник: www.digteh.ru