Кварцевые генераторы - что это и как они работают?

На первый взгляд мы можем этого не осознавать, однако значительная часть электронных устройств не могла бы функционировать без возможности точного измерения времени. Это делают возможным небольшие и недорогие, но чрезвычайно важные кварцевые резонаторы. В этой статье мы познакомим вас с группой компонентов, благодаря которым работают почти все современные часы, микропроцессоры и широкий набор других устройств.

Почему изобретение кварцевого осциллятора стало революцией?

С появлением радиосвязи в конце XIX века возникла необходимость в точном контроле частоты работы передатчиков и приёмников. Это позволяло устройствам эффективно передавать информацию друг другу, не создавая помех для других близлежащих устройств. Первоначальные радиостанции и беспроводные телеграфы использовали для этого LC-контура — резонансные цепи, состоящие из катушки и конденсатора. Однако такие схемы характеризовались низкой стабильностью — они могли довольно легко расстраиваться, например, из-за изменения температуры. Это приводило к серьёзным проблемам, включая помехи между соседними радиоканалами и необходимость частой настройки приёмников. [caption id="attachment_74287" align="aligncenter" width="1200"] Схема LC-резонатора. Его частота зависит от ёмкости конденсатора и индуктивности катушки.[/caption] Резонаторы на основе кремниевых кристаллов были разработаны уже в двадцатые годы прошлого века. Благодаря гораздо более высокой частотной стабильности они быстро стали стандартом в радиотехнике того времени. Также они были самыми точными устройствами для измерения времени до изобретения атомных часов. Изначально кварцевые резонаторы изготавливались из природных кристаллов. Растущий спрос на сырьё, особенно во время Второй мировой войны, вызвал исследования по производству искусственного кварца. Разработка гидротермального метода в 50-х годах позволила выращивать кварцевые кристаллы в промышленных масштабах. Сейчас практически все кристаллы, используемые в электронике, создаются синтетически.

Как работает кварцевый осциллятор?

Кварцевый резонатор использует пьезоэлектрические свойства кварцевого кристалла. Пьезоэлектрический эффект заключается в появлении электрического заряда на поверхности кристалла под воздействием механического напряжения и, наоборот, в его деформации под воздействием электрического напряжения. Кристаллы в осцилляторах оснащены тонкими электродами, нанесёнными прямо на их поверхность. Благодаря этому вибрации кристалла легко передаются в виде электрического сигнала и наоборот. Кварцевым осциллятором называют резонатор вместе с схемой возбуждения и поддержания колебаний. При запуске осциллятора кристалл, возбуждаемый электрическим сигналом, начинает вибрировать — этот момент можно сравнить с ударом в камертонные вилка. Из-за строго заданной резонансной частоты кристалл действует как полосовой фильтр средней частоты — он поддерживает колебания около этой частоты, подавляя все остальные. Эта частота зависит от нескольких факторов — в том числе от формы кристалла (например, пластинка, диск или вилка), его размера и способа распространения вибраций в нём. [caption id="attachment_74290" align="aligncenter" width="1200"] Внутреннее устройство кварцевого резонатора. Виден кремниевый кристалл в форме диска с подведёнными электродами.[/caption] Сигнал от электродов вибрирующего кристалла усиливается схемой осциллятора и затем подаётся обратно на кристалл — происходит положительная обратная связь. С каждым циклом вибрации усиливаются, пока через некоторое время не наступает стабильное состояние. На выходе осциллятора получается стабильный сигнал, обычно близкий к прямоугольному, который может использоваться, например, как тактовый сигнал.

Где применяются кварцевые резонаторы?

Кристаллы с низкой частотой чаще всего используются в часах реального времени (RTC). Их можно найти практически во всех современных электронных и цифровых часах, включая наручные часы. Стандартной частотой в кварцевых часах является 32,768 кГц. Обычно их встречают в цилиндрических корпусах с выводами для пайки, но также доступны и значительно меньшие поверхностные варианты монтажа. Чаще всего встречаются кварцевые резонаторы и генераторы с частотой от нескольких до нескольких десятков МГц. Они широко применяются в цифровой электронике — используются для формирования тактовых сигналов для микропроцессоров, интерфейсов и схем беспроводной связи. Кварцевые осцилляторы можно найти практически во всех устройствах, которым для работы требуется точное измерение времени или частоты. [caption id="attachment_74292" align="aligncenter" width="1200"] На фотографии показан кварц Q3 с частотой 12 МГц, отвечающий за тактирование микроконтроллера STM32. Дополнительный кварц Q2 используется в схеме часов реального времени.[/caption] Следующую группу составляют резонаторы SAW (Surface Acoustic Wave), рабочий диапазон частот которых от нескольких десятков МГц до нескольких ГГц. Они используют в основном в радиосвязи для стабилизации частоты и как фильтры с высокой эффективностью. Как и другие кварцевые резонаторы, они отличаются высокой точностью и стабильностью частоты при относительно низкой стоимости. Одиночный резонатор SAW обеспечивает точный выбор частоты работы передатчика или приёмника, но не позволяет регулировать эту частоту. Благодаря этому они отлично подходят для недорогих устройств дистанционного управления, таких как пульты для ворот, охранные системы и другие приборы для домашнего использования. Их также применяют в радиоустройствах в ISM-диапазоне и в телевизионных приёмниках. Рассмотрим пример резонатора SAW — предлагаемого нами WTL2Y36723PZ с частотой 433,92 МГц. Это эффективное решение, предназначенное для пультов дистанционного управления — оно позволяет создать простой и недорогой радиопередатчик или приёмник с использованием небольшого числа компонентов. В следующей таблице приведены основные параметры резонатора WTL2Y36723PZ:

Обозначение	WTL2Y36723PZ
Тип	Резонатор SAW
Частота	433,92 МГц ±75 кГц
Монтаж	SMD
Корпус	3.2×2.5 мм
Температурный диапазон	-40°C…+85°C

Приглашаем ознакомиться с широким ассортиментом кварцевых резонаторов и керамических фильтров компании InterElcom, а в случае любых вопросов — воспользоваться контактной формой.