От чего зависят свойства кварцевого резонансного контура?

Свойства кварцевого резонансного контура зависят прежде всего от типа среза, размеров и условий работы.

Кристалл кварца (кристаллическая модификация кремнезема — SiО₂) имеет вид шестигранной пирамиды (рис. 10.12).

Рис. 10.12. Кристалл кварца

Из его середины вырезают пластины кварца. Различают различные типы срезов кристалла в зависимости от того, как ориентирована пластинка относительно осей кристалла. Как видно из рис. 10.12, существуют три главные взаимно перпендикулярные оси, обозначаемые буквами X, Y и Z. Ось Z называется оптической осью кристалла. Три оси X, проходящие через каждую пару противолежащих вершин шестиугольника, — электрические оси, а три оси Y, проходящие через каждую пару противоположных граней, — механические. Если пластинка кварца вырезана таким образом, что ее наибольшая поверхность перпендикулярна оси X, это означает, что использован срез X. Соответственно существует срез Y. Срезы под углом к оси Z обозначаются двумя буквами, например АТ, ВТ и др. От типа среза зависит пригодность кварца для работы в различных диапазонах частот, температурный коэффициент частоты, возможность использования в фильтрах и т. п. Например, пластины кварца, полученные из среза X, обладают отрицательным температурным коэффициентом. Это означает, что если температура окружающей среды возрастает, частота генератора убывает. Пластины кварца, полученные из срезов под углом к оси Z, в некотором интервале изменений температуры имеют нулевой температурный коэффициент.

Если требования к стабильности частоты генератора велики, то кварц должен быть помещен в термостат, внутри которого поддерживается постоянная температура. При этом можно получить стабильность лучше, чем 10^-6 (даже 10^-8). На основе таких генераторов создаются эталоны (стандарты) частоты и кварцевые часы.

Кварцевая пластина может быть представлена в виде эквивалентной схемы (рис. 10.13, а). Это схема, в которой механические параметры кварца заменяются электрическими эквивалентами. Так, индуктивность L_m — электрический эквивалент массы, емкость С_m — гибкости (упругости); сопротивление R_m представляет противодействие перемещению, вызываемому трением в кристалле. Емкость С₀ является емкостью между проводящими пластиками, присоединенными к кварцу. В схеме имеются два резонанса: последовательный и параллельный (рис. 10.13, б).

Рис. 10.13. Эквивалентная схема кварцевого контура (а) и соответствующее ей изменение реактивной проводимости (б)

Резонансные частоты кварца обратно пропорциональны его размерам и толщине. Размеры типового кварца на частоту 428 кГц — 2,75х3,33х0,636 см. Параметры элементов эквивалентной схемы составляют: С₀ = 5,8 пФ; С_m = 0,042 пФ, L_m = 3,3 Гн; Q = 23 000.

Кварцевые пластины (кварцевые резонаторы) изготавливаются на частоты от 2 кГц примерно до 35 МГц. Возможно также изготовление кварцев, работающих на более высоких частотах, даже до 150 МГц. Однако в этом случае генераторы работают на так называемых «обертонах», т. е. на частотах колебаний, почти в точности равных гармоническим частотам основной частоты.