Zaloguj się
Wszystkie
1 lipca 2024
26
Wprowadzenie
Źródła częstotliwości wzorcowej
W elektronice często potrzebne są sygnały o stałej i stabilnej częstotliwości. Przykłady obejmują:
- oscylatory dla chronometrów,
- podstawy czasu w cyfrowych miernikach częstotliwości,
- oscylatory referencyjne dla syntezatorów częstotliwości,
- oscylatory lokalne w odbiornikach heterodynowych,
- oscylatory zegarowe w systemach mikroprocesorowych,
- podstawa czasu w oscyloskopach cyfrowych.
W przypadku oscylatorów RC można osiągnąć stabilność częstotliwości do 0,1%, podczas gdy w przypadku oscylatorów LC możliwe jest osiągnięcie 0,01%. Jeśli potrzebna jest jeszcze większa stabilność częstotliwości, jedynym rozwiązaniem jest oscylator kwarcowy. Pomimo tego, rezonatory kwarcowe, w obecnej formie, są znane od wielu lat, ich znaczenie we współczesnej elektronice wciąż rośnie.
Terminologia
Elementy omawiane w tym artykule są powszechnie określane jako „kwarce”. W literaturze anglojęzycznej często spotyka się określenie „crystal” lub skrót „xtal”, zaś producenci zegarków od początku stosują napis „Quartz” na swoich produktach. Poprawnym określeniem jest termin „rezonator kwarcowy”, zaś obwód, w którym ów element pracuje, nazywa się „oscylatorem kwarcowym”. Można też wyróżnić „generatory kwarcowe”, czyli komponenty zawierające zarówno sam rezonator, jak i towarzyszący mu obwód oscylatora oraz wzmacniacza sygnału.
Produkcja rezonatorów
Niektóre naturalne materiały, takie jak kwarc, wykazują efekt piezoelektryczny. Gdy płytka takiego materiału jest ściskana lub rozciągana, powstaje na niej napięcie elektryczne. Jeśli napięcie elektryczne zostanie przyłożone do materiału, zostanie on ściśnięty lub rozciągnięty. Tym sposobem materiał reaguje na zmieniające się napięcie elektryczne, wykonując okresowe ruchy. Częstotliwość, z jaką to się dzieje, zależy od właściwości fizycznych materiału, w szczególności od grubości płytki.
Właściwość ta umożliwia wykorzystanie materiału o właściwościach piezoelektrycznych do generowania napięcia przemiennego o bardzo stałej częstotliwości. Jeśli przyłożysz szerokopasmowy szum do płytki z materiału o takich właściwościach, płytka zacznie wzmacniać jedną częstotliwość z tego szumu. Jest to częstotliwość, przy której płytka drga najbardziej. Wibracje te i wspomniany efekt w rzeczywistości wytworzą dość duże napięcie na płytce, którego częstotliwość jest równa częstotliwości rezonansowej płytki.
Efekt piezoelektryczny
Efekt piezoelektryczny został odkryty w 1880 roku przez Jacquesa i Pierre’a Curie i po raz pierwszy wykorzystany do kontroli częstotliwości oscylatora elektronicznego w 1921 roku przez W. Gady’ego.
Naturalne kryształy
Istnieje około 3000 surowców mineralnych, które mają właściwości piezoelektryczne. Jednak większość minerałów jest całkowicie bezużyteczna w swojej naturalnej postaci z powodu zanieczyszczeń obecnych w materiale. Surowy kwarc (SiO2), wydobywany w Brazylii, był kiedyś używany do produkcji rezonatorów kwarcowych. Kwarc ten był topiony pod bardzo wysokim ciśnieniem, a następnie krystalizowany. W ten sposób powstawały duże sześciokątne kryształy o typowym kształcie.
Kryształy syntetyczne
Obecnie jednak stosuje się głównie kryształy syntetyczne. Zawierają one znacznie mniej defektów krystalicznych i są znacznie czystsze niż kryształy naturalne. Kilka substancji wytwarzanych laboratoryjnie, które mogą być również wykorzystywane do produkcji półprzewodników (a więc nie tylko rezonatorów) to:
- arsenek galu,
- tlenek bizmutu/germanu,
- boran litu,
- tlenek krzemu/cynku,
- tytanian cyrkonu,
- fosforan galu.
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
