Кварцові генератори - що це і як вони працюють?

З першого погляду ми можемо й не усвідомлювати цього, але значна частина електронних пристроїв не могла б функціонувати без можливості точного вимірювання часу. Це дозволяють їм маленькі та недорогі, але надзвичайно важливі кварцові резонатори. У цій статті ми познайомимо вас із групою компонентів, завдяки яким працюють майже всі сучасні годинники, мікропроцесори та широкий спектр інших пристроїв.

Чому винайдення кварцового генератора стало революцією?

З винайденням радіозвязку наприкінці XIX століття виникла потреба у точному контролі частоти роботи передавачів і приймачів. Це дозволяло пристроям ефективно передавати інформацію один одному, не заважаючи іншим сусіднім пристроям. Перші радіо та бездротові телеграфи для цього використовували LC-лінії, тобто резонансні схеми, що складаються з котушки і конденсатора. Проте ці схеми характеризувалися низькою стабільністю - їх досить легко можна було налаштувати неправильно, наприклад, через зміну температури. Це викликало серйозні проблеми, зокрема інтерференцію між сусідніми радіоканалами і необхідність частого налаштування приймачів. [caption id="attachment_74287" align="aligncenter" width="1200"] Схема LC-резонатора. Його частота залежить від ємності конденсатора та індуктивності котушки.[/caption] Резонатори на основі кремнієвих кристалів було розроблено ще в 20-х роках минулого століття. Через значно вищу стабільність частоти вони швидко стали стандартом в тодішній радіотехніці. Вони також були свого часу найточнішими пристроями для вимірювання часу до появи атомного годинника. Спочатку кварцові резонатори виготовлялися з природних кристалів. Зростаючий попит на цей матеріал, особливо в період Другої світової війни, започаткував дослідження з виробництва синтетичного кварцу. Розробка гідротермального методу в 50-х роках дозволила вирощувати кварцові кристали у великих кількостях. Зараз практично всі кристали, що використовуються в електроніці, створюють синтетично.

Як працює кварцовий генератор?

Кварцовий резонатор використовує п’єзоелектричні властивості кварцового кристалу. П’єзоелектричне явище полягає у появі електричного заряду на поверхні кристалу під впливом напруг, а також навпаки — у його деформації під дією електричної напруги. Кристали в генераторах оснащені тонкими електродами, нанесеними безпосередньо на їхню поверхню. Завдяки цьому коливання кристалу легко передаються у вигляді електричного сигналу і навпаки. Кварцовим генератором називаємо резонатор із схемою, що викликає та підтримує його коливання. При запуску генератора кристал, збуджений електричним сигналом, починає коливатися — цей момент можна порівняти з ударом по камертону. Завдяки строго визначеній резонансній частоті кристал працює як смуговий фільтр — зберігає коливання близько до цієї частоти, пригнічуючи всі інші. Частота залежить від кількох факторів — зокрема форми кристалу (наприклад, пластина, диск або камертон), його розміру та способу поширення коливань. [caption id="attachment_74290" align="aligncenter" width="1200"] Внутрішня будова кварцового резонатора. Видно дископодібний кремнієвий кристал з підведеними до нього електродами.[/caption] Сигнал від електродів, що коливаються, посилюється схемою генератора і подається назад до кристалу — виникає позитивний зворотний зв’язок. З кожним циклом коливання посилюються, поки система не стабілізується. На виході генератора отримуємо стабільний сигнал, зазвичай близький до прямокутного, який можна використовувати, наприклад, як тактовий сигнал.

Де застосовують кварцові резонатори?

Кристали з низькою частотою найчастіше використовують у годинниках реального часу (RTC). Їх можна знайти майже у всіх сучасних електронних та цифрових годинах, зокрема й у наручних годинниках. Загальноприйнятим стандартом у кварцах для годинників є частота 32,768 кГц. Найчастіше вони випускаються в циліндричних корпусах з навісним монтажем, але також існують значно менші варіанти для поверхневого монтажу. Найпоширеніші кварцові резонатори і генератори мають частоти від кількох до кількох десятків МГц. Вони широко застосовуються в цифровій електроніці — для генерації тактових сигналів для мікропроцесорів, інтерфейсів та схем бездротового зв’язку. Кварцові генератори можна знайти у майже всіх пристроях, які потребують точного вимірювання часу чи частоти. [caption id="attachment_74292" align="aligncenter" width="1200"] На фото кварц Q3 з частотою 12 МГц відповідає за тактування мікроконтролера STM32. Додатковий кварц Q2 - елемент схеми годинника реального часу.[/caption] Іншу групу становлять резонатори SAW (Surface Acoustic Wave), частотний діапазон яких сягає від кількох десятків МГц до кількох ГГц. Вони використовуються переважно в радіозв’язку для стабілізації частоти та як фільтри з високою ефективністю. Як і інші кварцові резонатори, вони відзначаються високою точністю і стабільністю частоти при відносно низьких витратах. Одиночний резонатор SAW дозволяє точно підбирати робочу частоту передавача або приймача, але не забезпечує регулювання цієї частоти. Завдяки цьому вони чудово підходять для недорогих пристроїв дистанційного керування, зокрема пультів до воріт, систем безпеки чи інших побутових пристроїв. Вони також зустрічаються у радіоприймачах, що працюють у діапазоні ISM, та телевізійних приймачах. Розглянемо приклад резонатора SAW — наш WTL2Y36723PZ з частотою 433,92 МГц. Це ефективне рішення, орієнтоване на пульти дистанційного керування — дозволяє створити простий та недорогий радіопередавач або приймач із використанням малої кількості компонентів. У таблиці нижче наведено основні параметри резонатора WTL2Y36723PZ:

Позначення	WTL2Y36723PZ
Тип	Резонатор SAW
Частота	433,92 МГц ±75 кГц
Монтаж	SMD
Корпус	3.2×2.5 мм
Температурний діапазон експлуатації	-40°C ÷ +85°C

Запрошуємо ознайомитися з широким асортиментом кварцових резонаторів та керамічних фільтрів компанії InterElcom, а у разі запитань — скористатися контактною формою.