Кварцевые АГ

Для получения высокой точности и стабильности частоты колебаний в АГ в качестве резонатора используется кварц. Такие АГ называются кварцевыми. Кварц относится к числу кристаллов, обладающих свойствами прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта. Помещенный в электрическое поле высокой частоты кварц испытывает периодические механические деформации (явление обратного пьезоэффекта), что, в свою очередь, вызывает появление электрических зарядов на его гранях (явление прямого пьезоэффекта). Свойством пьезоэффекта обладают кристаллы более 100 веществ. Среди них наиболее стабильны параметры у кварца. Вблизи резонансных частот кварц можно заменить контуром с сосредоточенными параметрами (рис. 14.9). Различные виды механических колебаний в кварцевой пластине могут происходить на основной частоте или одной из нечетных гармоник. Кристалл кварца имеет три оси симметрии - оптическую, электрическую и механическую. В зависимости от того, под каким углом к этим осям вырезана пластина, различают несколько видов среза кварца.

Геометрические размеры, вид колебаний и тип среза пластины определяют электрические параметры кварцевого резонатора: частоту последовательного резонанса w₁, добротность Q, отношение емкостей C_k/C₀, температурный коэффициент частоты ТКЧ_кв и допустимую мощность рассеивания. Максимальная частота кварцевых резонаторов достигает 150 МГц и более. Широкое применение находят кварцы, возбуждаемые на 3–7-й механической гармонике с частотой до 60…70 МГц.

Рис. 14.9. Эквивалентная схема замещения кварца

Определим основные параметры и зависимость эквивалентного сопротивления кварца от частоты вблизи его резонансных частот (частота последовательного резонанса) и (частота параллельного резонанса). Для проводимости кварца согласно схеме на рис. 14.9 имеем:

, (14.20)

где - добротность кварцевого резонатора.

Благодаря большому значению L_k и малому C_k характеристическое сопротивление r_кв и добротность кварцевого резонатора Q_кв достигают значений ( Ом, ), на несколько порядков превышающих эти параметры у обычных контуров. У специальных кварцевых резонаторов величина Q_кв составляет даже (3…6)10⁶. Большая добротность определяет высокую крутизну фазовой характеристики кварца вблизи его резонансных частот:

(14.21)

где Dw=w–w₁ - абсолютная расстройка.

Для эквивалентного сопротивления кварца из (14.20) получим:

. (14.22)

Результаты расчета характеристик кварца (с параметрами С=0, 25 пФ; L=0, 2 мГн; r: =10 Ом; С₀=8 пФ) приведены на рис. 14.10. На частоте последовательного резонанса w₁ сопротивление кварца мало Z_кв=r_k; на частоте параллельного w₂ возрастает до величины . Между частотами w₁ и w₂ сопротивление кварца носит индуктивный характер, за пределами этих частот - емкостной. При переходе через резонансные частоты фаза благодаря высокой добротности скачком меняется на 180° (14.21).

Рис. 14.10. Зависимости от частоты активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления кварца и фазового угла

Значение ТКЧ серийно выпускаемых кварцевых резонаторов находится в пределах (0, 5…2)10⁶, а у специальных кварцев - 10^-7 в определенном интервале температур. Значение ТКЧ зависит от угла среза и является нелинейной функцией температуры. Благодаря высокой добротности и малому значению ТКЧ кварцевого резонатора нестабильность частоты АГ мала (10^-6 при размещении кварцевого резонатора в термостате), а в особых случаях - 10^-8…10^-9. Автоколебания в кварцевом резонаторе возможны на частотах, соответствующих высокому значению крутизны фазовой характеристики, т.е. вблизи w₁ или w₂. Наиболее предпочтительна схема с использованием возбуждения на частоте w₁ и с включением кварцевого резонатора в цепь обратной связи (рис. 14.11, а).

Рис. 14.11.Схемы АГ с включением кварцевого резонатора в цепь обратной связи

Поскольку на частоте w₁ кварцевый резонатор имеет малое сопротивление r_k, то цепь обратной связи оказывается замкнутой и возможны автоколебания с частотой w₁. Для всех остальных частот сопротивление кварца велико (рис. 14.10), цепь обратной связи оказывается разомкнутой, и автоколебания возникнуть не могут. Другая схема кварцевого АГ интегрального типа приведена на рис. 14.11, б. В ней сдвиг сигнала на 180° для соблюдения условия баланса фаз достигается за счет запаздывания сигнала в кварцевом резонаторе.