Параметры кварцевых резонаторов
Параметры частоты
Номинальная частота –Частота F н , указанная на маркировке или в документации на кварцевый резонатор (измеряется в МГц или кГц).
Базовая частота – Реальная частота резонатора F о , измеренная в заданных условиях эксплуатации. Как правило, определяются только климатические условия, а именно базовая температура окружающей среды То, (равная 25± 2 ºС для резонаторов со срезом типа АТ) .
Рабочая частота – Реальная частота резонатора F , измеренная в реальных условиях эксплуатации (климатических, механических и электрических) . Обычно определен только допустимый диапазон изменения рабочей температуры.
Точность настройки частоты – Максимально допустимое относительное отклонение базовой частоты резонатора от номинальной частоты. Определяется по формуле (1).
|
|
(1)
|
Измеряется в миллионных долях от номинальной частоты, обозначаемых как ppm (part per m illion) или 1•10 -6. В отдельных редких случаях значение этого параметра приводится в процентах. Как правило, значение точности настройки частоты кварцевого резонатора выбираются из стандартного ряда.
Температурная нестабильность частоты
|
|
(2)
|
Относительное отклонение рабочей частоты резонатора от базовой частоты. Определяется по формуле (2).
Может быть представлено в виде зависимости от рабочей температуры T , в соответствии с формулой (3) для кварцевых пластин с типом среза АТ и формулой (4) для кварцевых пластин остальных типов.
|
|
(3)
|
|
|
(4)
|
Долговременная нестабильность частоты (старение) – систематическое изменение базовой частоты с течением времени из-за внутренних изменений в кварцевом резонаторе. Параметр старения задается как относительное изменение базовой частоты за заданный промежуток времени. Это значение выражается в частях миллиона за год (например, 3 ppm / year ). Уход частоты под влиянием старения в максимальной степени сказывается в течение первых 30 – 60 дней эксплуатации, после чего влияние этого фактора уменьшается.
Стандартный ряд относительных отклонений частоты для резонаторов общего назначения включает следующие классы точности: ±5, ±10, ±15, ±20, ±30, ±50, ±75 и ±100 ppm .
Режим работы резонатора (номер гармоники)
Режим работы резонатора – неизменяемый параметр, определяющий частоту колебания. Для кристаллов кварца может использоваться не только основная частота, но и ее нечетные гармоники - обертоны.
Например, кристалл может работать на основной частоте 10 МГц, или в нечетных гармониках приблизительно 30 МГц (третий обертон), 50 МГц (пятый обертон) и 70 МГц (седьмой обертон).
Параметры температуры
Базовая температура – Температура окружающей среды То, для большинства резонаторов равная 25± 2 ºС, при которой выполняются измерения определенных параметров кварцевого резонатора (в частности, значения базовой частоты).
Диапазон рабочих температур – Диапазон температур, для которого производитель гарантирует, что максимальное отклонение рабочей частоты от номинального значений не выходит за пределы заданного допуска.
Диапазон предельных температур – Диапазон температур, в котором резонатор сохраняет работоспособность, но отклонение частоты от номинала может выходить за пределы, гарантируемые производителем.
Диапазон температур хранения – Диапазон температур, в котором кварцевый резонатор может находиться в режиме хранения (то есть, в состоянии отсутствия колебаний). После окончания хранения резонатора и обеспечения температуры в пределах рабочего диапазона (в течение некоторого отрезка времени), резонатор может использоваться в режиме колебаний, причем при этом будут гарантироваться все указанные производителем параметры.
|
Рис. 1.
Эквивалентная схема кварцевого резонатора.
|
Электрические параметры
Эквивалентная схема кварцевого резонатора – представляет собой электрическое описание кварцевого резонатора, работающего на резонансной частоте. Эквивалентная схема кварцевого резонатора представлена на рисунке 1. С 0 – шунтирующая емкость. R 1, L 1 и С 1 – соответственно динамическое сопротивление, динамическая индуктивность и динамическая емкость. Динамические параметры представляют собой соответствующие эквиваленты резонатора как электромеханической системы и определяются, в основном, характеристиками среза кварцевого элемента.
Шунтирующая емкость C 0 – Емкость между выводами кристалла. Измеряется в пикофарадах. Шунтирующая емкость складывается из паразитной емкости кварца, емкости области электродов кристалла и емкости, вносимой кристаллодержателем. Шунтирующая емкость имеет значение порядка единиц пФ.
Динамическое сопротивление R 1 – Параметр, характеризующий энергетические потери в колебательном контуре. Динамическое сопротивление R 1 кварцевых резонаторов изменяется в интервале от нескольких Ом до сотен кОм в зависимости от частоты резонанса, номера гармоники и ряда конструктивных факторов. Часто обозначается как эквивалентное последовательное сопротивление ESR .
Динамическая индуктивность L 1 – Параметр, характеризующий эквивалент массы в колебательном контуре. Динамическая индуктивность L 1 кварцевых резонаторов изменяется в интервале от тысяч Гн для резонаторов низких частот до нескольких мГн для высокочастотных резонаторов.
|
|
(5)
|
Частота резонанса F – частота, определяемая в соответствии с формулой (5)
Емкость нагрузки С L
|
Рис. 2.
Согласование емкости нагрузки
|
Измеренное или вычисленное значение емкости, включенной параллельно с кварцевым резонатором. Резонансная частота кварца, включенного в реальную электрическую цепь, будет изменяться в некоторых пределах при разных значениях емкости нагрузки. Для упрощения взаимодействия заказчиков и производителей резонаторов практикуется настройка резонаторов при определенном значении нагрузочной емкости. В этом случае измеренная частота должна соответствовать номинальной с учетом указанной точности настройки.
|
|
(6)
|
Как правило, для согласования емкости нагрузки используют конденсаторы C g , подключаемые между выводами кварцевого резонатора и общим проводом (рисунок 2). Расчет номинала емкости конденсаторов C g осуществляется по формуле (6), где C L – емкость нагрузки, указанная в технической документации, а C S – значение паразитной емкости (примерно 5 пФ).
Например, для емкости нагрузки равной 16 пФ имеем
C g .= 2(16-5) = 22 пФ.
Уровень управления ( drive level )
Обычно определяется как мощность, рассеиваемая кварцевым резонатором. Минимальное значение этого параметра определяется количеством энергии, необходимой для нормального запуска резонатора и обеспечения устойчивых колебаний. Однако повышенное значение этого параметра может вызвать ухудшение параметров старения и механические повреждения кристалла.
версия для печати
|