crystal oscillator что это

crystal oscillator

кварцевый генератор
Генератор переменного напряжения, стабилизирующим элементом частоты которого является кварцевый резонатор или пьезоэлемент.
[ГОСТ 22866-77]

Тематики

Смотреть что такое «crystal oscillator» в других словарях:

Crystal oscillator — A miniature 4 MHz quartz crystal enclosed in a hermetically sealed HC 49/US package, used as the resonator in a crystal oscillator. A crystal oscillator is an electronic oscillator circuit that uses the mechanical resonance of a vibrating crystal … Wikipedia

crystal oscillator — 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

crystal oscillator — 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

crystal oscillator — stabilizuotasis kvarcinis generatorius statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. crystal oscillator vok. Quarzoszillator, m rus. генератор с кварцевой стабилизацией, m; кварцованный генератор, m pranc. oscillateur à cristal, m … Automatikos terminų žodynas

crystal oscillator — noun an oscillator that produces electrical oscillations at a frequency determined by the physical characteristics of a piezoelectric quartz crystal • Syn: ↑quartz oscillator • Hypernyms: ↑oscillator * * * Electronics. See under crystal (def. 10) … Useful english dictionary

crystal oscillator — Electronics. See under crystal (def. 10). * * * … Universalium

crystal oscillator — /krɪstl ˈɒsəleɪtə/ (say kristl osuhlaytuh) noun a source of electrical oscillations of very constant frequency determined by the physical characteristics of a quartz crystal … Australian-English dictionary

Crystal oscillator frequencies — Crystal oscillators can be manufactured for oscillation over a wide range of frequencies, from a few kilohertz up to several hundred megahertz. Many applications call for a crystal oscillator frequency conveniently related to some other desired… … Wikipedia

Analog temperature controlled crystal oscillator — In physics, an Analog Temperature Controlled Crystal Oscillator or Analogue Temperature Compensated Crystal Oscillator (ATCXO) uses analog sampling techniques to correct the temperature deficencies of a crystal oscillator circuit, its package and … Wikipedia

Voltage Controlled Crystal Oscillator — Voltage Controlled Crystal (= Xtal ) Oscillator (engl: Quarz Oszillator mit über Spannung trimmbarer Frequenz) ist ein abgleichbarer Quarzoszillator der durch einen Quarz eine gute Frequenzstabilität aufweist. Zusätzlich kann er über eine… … Deutsch Wikipedia

Crystal (disambiguation) — Crystal is a form of matter significant in chemistry and mineralogy. Crystal may also refer to: Contents 1 Places 2 Media and entertainment 3 … Wikipedia

Источник

Кристаллы, осцилляторы и резонаторы. Какая разница?

Я пытаюсь выяснить разницу между кристаллами, осцилляторами и резонаторами. Я начинаю понимать это, но у меня все еще есть некоторые вопросы.

Насколько я понимаю, генератор построен из кристалла и двух конденсаторов. Что такое резонатор тогда? Это разница в терминологии?

Если осциллятор и резонатор похожи, почему эти два элемента:

есть два контакта и нет земли. Тогда как этот

имеет три контакта, один из которых является заземлением?

Будет ли какое-либо из этих трех устройств работать в качестве внешних часов для микроконтроллера?

PS: Бонусные баллы за объяснение того, как конденсаторы помогают кристаллу работать должным образом. 🙂

И керамические резонаторы, и кристаллы кварца работают по одному и тому же принципу: вибрируют механически, когда на них подается переменный сигнал. Кристаллы кварца более точны и термостабильны, чем керамические резонаторы. Сам резонатор или кристалл имеет два соединения. Слева кристалл, справа керамический резонатор.

Как вы говорите, генератору нужны дополнительные компоненты, два конденсатора. Активная часть, которая заставляет генератор работать, представляет собой усилитель, который подает энергию для поддержания колебаний.

Некоторые микроконтроллеры имеют низкочастотный генератор для кристалла 32,768 кГц, который часто имеет встроенные конденсаторы, так что вам нужно только два соединения для кристалла (слева). Однако большинству генераторов нужны внешние конденсаторы, и тогда у вас есть три соединения: вход от усилителя, выход к усилителю и заземление для конденсаторов. Резонатор с тремя контактами имеет встроенные конденсаторы.

Функция конденсаторов: для того чтобы колебаться замкнутый контур, усилитель-кристалл должен иметь суммарный фазовый сдвиг 360 °. Усилитель инвертирующий, так что это 180 °. Вместе с конденсаторами кристалл заботится о других 180 °.

править
При переключении кварцевого генератора на это просто усилитель, вы не получите желаемую частоту еще. Единственное, что там есть, это низкий уровень шума в широкой полосе пропускания. Генератор усилит этот шум и пропустит его через кристалл, после чего он снова входит в генератор, который снова усиливает его и так далее. Разве это не должно вызывать у вас сильный шум? Нет, свойства кристалла таковы, что он будет пропускать лишь очень небольшое количество шума вокруг своей резонансной частоты. Все остальное будет ослаблено. Так что, в конце концов, остается только та резонансная частота, а затем мы колеблемся.

Вы можете сравнить это с батутом. Вообразите группу детей, прыгающих на этом случайно. Батут мало двигается, и дети должны приложить немало усилий, чтобы прыгнуть всего на 20 см. Но через некоторое время они начнут синхронизироваться, а батут последует за прыжками. Дети будут прыгать выше и выше с меньшими усилиями. Батут будет колебаться на своей резонансной частоте (около 1 Гц), и будет трудно прыгать быстрее или медленнее. Это частоты, которые будут отфильтрованы.
Ребенок, прыгающий на батуте, является усилителем, она поставляет энергию для поддержания колебаний.

Источник

СОДЕРЖАНИЕ

Терминология

Пьезоэлектрические резонаторы продаются как отдельные компоненты для использования в схемах кварцевых генераторов. Пример показан на картинке. Их также часто объединяют в один корпус со схемой кварцевого генератора, показанной справа.

История

В 1968 году Юрген Штаудте изобрел фотолитографический процесс производства кварцевых генераторов во время работы в North American Aviation (ныне Rockwell ), что позволило сделать их достаточно маленькими для портативных изделий, таких как часы.

Операция

Моделирование

Электрическая модель

Режимы резонанса

Кристалл кварца обеспечивает как последовательный, так и параллельный резонанс. Последовательный резонанс на несколько килогерц ниже параллельного. Кристаллы с частотой ниже 30 МГц обычно работают между последовательным и параллельным резонансами, что означает, что кристалл проявляет себя как индуктивное реактивное сопротивление при работе, эта индуктивность образует параллельный резонансный контур с внешней параллельной емкостью. Любая небольшая дополнительная емкость параллельно кристаллу понижает частоту. Кроме того, эффективное индуктивное сопротивление кристалла можно уменьшить, добавив конденсатор последовательно с кристаллом. Этот последний метод может обеспечить полезный метод подстройки частоты колебаний в узком диапазоне; в этом случае включение конденсатора последовательно с кристаллом увеличивает частоту колебаний. Чтобы кристалл работал на указанной частоте, электронная схема должна быть точно такой, как указано производителем кристалла. Обратите внимание, что эти моменты подразумевают тонкость, касающуюся кварцевых генераторов в этом диапазоне частот: кристалл обычно не колеблется точно ни на одной из своих резонансных частот.

Кристаллы выше 30 МГц (до> 200 МГц) обычно работают при последовательном резонансе, когда полное сопротивление оказывается минимальным и равным последовательному сопротивлению. Для этих кристаллов указано последовательное сопротивление ( Температурные эффекты

<\ text > / ^ <\ circ><\ text > ^ <2>\ cdot (T-T_ <0>) ^ <2>\ right].>

В реальном приложении это означает, что часы, построенные с использованием обычного камертонного кристалла с частотой 32 кГц, хорошо сохраняют время при комнатной температуре, но теряют 2 минуты в год при температуре на 10 ° C выше или ниже комнатной и теряют 8 минут в год при 20 ° C. ° C выше или ниже комнатной температуры из-за кристалла кварца.

Схемы кварцевого генератора

Высокочастотные кристаллы часто предназначены для работы на третьем, пятом или седьмом обертоне. Производители сталкиваются с трудностями при производстве кристаллов, достаточно тонких, чтобы воспроизводить основные частоты выше 30 МГц. Для получения более высоких частот производители создают кристаллы обертона, настроенные так, чтобы 3-й, 5-й или 7-й обертон были настроены на желаемую частоту, потому что они толще и, следовательно, их легче изготовить, чем основной кристалл, который будет воспроизводить ту же частоту, хотя и возбуждает желаемый обертон. частота требует немного более сложной схемы генератора. Схема кварцевого генератора на фундаментальной основе проще и эффективнее, а также имеет большую тяговую способность, чем схема третьего обертона. В зависимости от производителя максимальная доступная основная частота может составлять от 25 МГц до 66 МГц.

Паразитные частоты

Для кристаллов, работающих в последовательном резонансе или выведенных из основного режима путем включения последовательной катушки индуктивности или конденсатора, могут возникать значительные (и зависящие от температуры) ложные отклики. Хотя большинство паразитных мод обычно на несколько десятков килогерц выше желаемого последовательного резонанса, их температурный коэффициент отличается от основного режима, и паразитный отклик может проходить через основной режим при определенных температурах. Даже если последовательное сопротивление на паразитных резонансах оказывается выше, чем сопротивление на желаемой частоте, быстрое изменение последовательного сопротивления основной моды может происходить при определенных температурах, когда две частоты совпадают. Следствием этих спадов активности является то, что генератор может блокироваться на паразитной частоте при определенных температурах. Это обычно сводится к минимуму, гарантируя, что поддерживающая схема имеет недостаточное усиление для активации нежелательных режимов.

Паразитные частоты также возникают при вибрации кристалла. Это в небольшой степени модулирует резонансную частоту на частоту колебаний. Кристаллы SC-среза предназначены для минимизации частотного эффекта монтажного напряжения, и поэтому они менее чувствительны к вибрации. Эффекты ускорения, включая гравитацию, также уменьшаются с помощью кристаллов SC-среза, как и изменение частоты со временем из-за длительного изменения монтажного напряжения. У кристаллов режима сдвига SC-среза есть недостатки, такие как необходимость в поддерживающем генераторе для различения других тесно связанных нежелательных режимов и повышенное изменение частоты из-за температуры при воздействии на полный диапазон окружающей среды. Кристаллы SC-среза наиболее предпочтительны там, где возможен температурный контроль при их температуре нулевого температурного коэффициента (оборота), при этих обстоятельствах общие характеристики стабильности от блоков премиум-класса могут приближаться к стабильности стандартов частоты рубидия.

Обычно используемые кварцевые частоты

Кристаллические структуры и материалы

Кварцевый

Существуют два типа кристаллов кварца: левый и правый. Они отличаются оптическим вращением, но идентичны по другим физическим свойствам. Как левый, так и правый кристаллы можно использовать для генераторов, если угол среза правильный. В производстве обычно используется правый кварц. Тетраэдры SiO ₄ образуют параллельные спирали; направление закручивания спирали определяет левую или правую ориентацию. Спирали выровнены по оси z и объединены, разделяя атомы. Масса спиралей образует сетку из малых и больших каналов, параллельных оси z. Большие достаточно велики, чтобы обеспечить некоторую подвижность более мелких ионов и молекул через кристалл.

Качественный

Производство

Кристаллы кварца можно выращивать для определенных целей.

Кристаллы для устройств на ПАВ выращиваются плоскими, с большой затравкой X-размера с низкой плотностью каналов травления.

Специальные кристаллы с высокой добротностью для использования в высокостабильных генераторах выращиваются с постоянной низкой скоростью и имеют постоянное низкое поглощение инфракрасного излучения по всей оси Z. Кристаллы можно выращивать в виде Y-стержня, с затравочным кристаллом в форме стержня и вытянутого вдоль оси Y, или как Z-пластину, выращенную из затравки пластины с длиной в направлении оси Y и шириной по оси X. Область вокруг затравочного кристалла содержит большое количество кристаллических дефектов и не должна использоваться для пластин.

Подметание также можно использовать для введения в кристалл одного вида примеси. Кристаллы лития, натрия и водорода используются, например, для изучения поведения кварца.

Очень маленькие кристаллы для высоких частот основной моды могут быть изготовлены с помощью фотолитографии.

Выбирая направление тока, можно увеличивать или уменьшать массу электродов. Подробности опубликованы в журнале «Радио» (3/1978) на сайте UB5LEV.

Другие материалы

Стабильность

Температура

Температура влияет на рабочую частоту; Используются различные формы компенсации, от аналоговой компенсации (TCXO) и компенсации микроконтроллера (MCXO) до стабилизации температуры с помощью кристаллической печи (OCXO). Кристаллы обладают температурным гистерезисом ; частота при данной температуре, достигаемая за счет повышения температуры, не равна частоте при той же температуре, достигаемой за счет снижения температуры. Температурная чувствительность зависит в первую очередь от разреза; резы с температурной компенсацией выбраны таким образом, чтобы свести к минимуму частотно-температурную зависимость. Возможны специальные разрезы с линейными температурными характеристиками; срез LC используется в кварцевых термометрах. Другими влияющими факторами являются используемый обертон, крепление и электроды, примеси в кристалле, механическая деформация, геометрия кристалла, скорость изменения температуры, термическая предыстория (из-за гистерезиса), ионизирующее излучение и уровень возбуждения.

Кристаллы, как правило, страдают аномалиями в характеристиках частоты / температуры и сопротивления / температуры, известных как провалы активности. Это небольшие колебания сопротивления в сторону уменьшения или увеличения, локализованные при определенных температурах, причем их температурное положение зависит от номинала нагрузочных конденсаторов.

Механическое напряжение

На частоту также влияют механические напряжения. Напряжения могут быть вызваны установкой, соединением и наложением электродов, дифференциальным тепловым расширением крепления, электродов и самого кристалла, дифференциальными термическими напряжениями при наличии температурного градиента, расширением или сжатием соединения. материалов во время отверждения, давлением воздуха, которое передается на давление окружающей среды внутри корпуса кристалла, напряжениями самой кристаллической решетки (неравномерный рост, примеси, дислокации), дефектами поверхности и повреждениями, вызванными во время производства, а также действие силы тяжести на массу кристалла; поэтому на частоту может влиять положение кристалла. Другими факторами, вызывающими динамическое напряжение, являются удары, вибрации и акустический шум. Некоторые порезы менее чувствительны к нагрузкам; разрез SC (с компенсацией напряжения) является примером. Изменения атмосферного давления также могут привести к деформации корпуса, влияя на частоту за счет изменения паразитных емкостей.

Другими факторами, влияющими на частоту, являются напряжение источника питания, сопротивление нагрузки, магнитные поля, электрические поля (в случае чувствительных к ним порезов, например, порезов SC), наличие и поглощенная доза γ-частиц и ионизирующего излучения, а также возраст кристалла.

Старение

Смещение постоянного напряжения между электродами может ускорить начальное старение, вероятно, за счет индуцированной диффузии примесей через кристалл. Размещение конденсатора последовательно с кристаллом и параллельного резистора в несколько мегаом может минимизировать такие напряжения.

Механическое повреждение

Колебания частоты

Кристаллы также страдают от незначительных кратковременных колебаний частоты. Основными причинами такого шума являются, например, тепловой шум (который ограничивает минимальный уровень шума), рассеяние фононов (под влиянием дефектов решетки), адсорбция / десорбция молекул на поверхности кристалла, шум контуров генератора, механические удары и вибрации, ускорение и изменение ориентации, колебания температуры и снятие механических напряжений. Кратковременная стабильность измеряется четырьмя основными параметрами: дисперсией Аллана (наиболее распространенной, указанной в таблицах характеристик генераторов), фазовым шумом, спектральной плотностью фазовых отклонений и спектральной плотностью относительных отклонений частоты. Эффекты ускорения и вибрации имеют тенденцию преобладать над другими источниками шума; Устройства с поверхностными акустическими волнами обычно более чувствительны, чем устройства с объемными акустическими волнами (BAW), а разрезы с компенсацией напряжений еще менее чувствительны. Относительная ориентация вектора ускорения по отношению к кристаллу существенно влияет на чувствительность кристалла к вибрации. Для высокостабильных кристаллов могут использоваться механические виброизоляционные опоры.

Радиационный ущерб

Магнитные поля мало влияют на сам кристалл, так как кварц диамагнитен ; Однако в цепях могут индуцироваться вихревые токи или переменное напряжение, и это может повлиять на магнитные части крепления и корпуса.

После включения кристаллам требуется от нескольких секунд до минут, чтобы «нагреться» и стабилизировать свою частоту. OCXO с термостатом обычно требуется 3–10 минут для нагрева до достижения теплового равновесия; Генераторы без духовки стабилизируются в течение нескольких секунд, поскольку несколько милливатт, рассеиваемых в кристалле, вызывают небольшой, но заметный уровень внутреннего нагрева.

Читайте также: chia seeds что это

Кристаллы не имеют внутренних механизмов разрушения; некоторые работали в устройствах десятилетиями. Однако отказы могут быть вызваны дефектами соединения, негерметичными корпусами, коррозией, сдвигом частоты из-за старения, разрушением кристалла из-за слишком сильного механического удара или радиационным повреждением, когда используется не очищенный кварц. Кристаллы также могут быть повреждены перегрузкой.

Стабильность кристаллов АТ-среза снижается с увеличением частоты. Для более точных высоких частот лучше использовать кристалл с более низкой основной частотой, работающий на обертоне.

Старение логарифмически уменьшается со временем, причем самые большие изменения происходят вскоре после изготовления. Искусственное старение кристалла путем длительного хранения при температуре от 85 до 125 ° C может повысить его долговременную стабильность.

Хрустальные огранки

Пластину резонатора можно вырезать из исходного кристалла разными способами. Ориентация среза влияет на характеристики старения кристалла, стабильность частоты, тепловые характеристики и другие параметры. Эти разрезы работают на объемной акустической волне (BAW); для более высоких частот используются устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Буквой T в названии разреза отмечен разрез с температурной компенсацией, разрез, ориентированный таким образом, чтобы температурные коэффициенты решетки были минимальными; разрезы FC и SC также имеют температурную компенсацию.

Низкочастотные разрезы устанавливаются в узлах, где они практически неподвижны; в таких точках с каждой стороны между кристаллом и выводами прикреплены тонкие проволоки. Большая масса кристалла, подвешенного на тонких проволоках, делает сборку чувствительной к механическим ударам и вибрациям.

Кристаллы обычно помещают в герметичные стеклянные или металлические корпуса, заполненные сухой и инертной атмосферой, обычно вакуумом, азотом или гелием. Также можно использовать пластиковые корпуса, но они негерметичны, и вокруг кристалла необходимо создать еще одно вторичное уплотнение.

В 1930-1950-х годах люди довольно часто регулировали частоту кристаллов вручную. Кристаллы измельчали с помощью мелкодисперсной абразивной суспензии или даже зубной пасты, чтобы увеличить их частоту. Небольшое уменьшение на 1–2 кГц, когда кристалл находился над землей, было возможно путем маркировки грани кристалла грифелем карандаша за счет пониженной добротности Q.

Частота кристалла слегка регулируется («растягивается») путем изменения присоединенных емкостей. Варакторный диод с емкостью в зависимости от приложенного напряжения, часто используются в управляемом напряжении кварцевых генераторов, VCXO. Кристаллические срезы обычно представляют собой AT или редко SC и работают в основном режиме; величина доступного отклонения частоты обратно пропорциональна квадрату числа обертонов, поэтому третий обертон имеет только одну девятую от тяги основной моды. Срезы SC, будучи более стабильными, значительно менее растягиваются.

Обозначения схем и сокращения

Типы кварцевых генераторов и их сокращения:

Источник