Просмотр кода страницы Кварцевый резонатор

[[Файл:Quarzhalter.JPG|thumb|Кварцевый резонатор в кристаллодержателе]]
{{Кратное изображение
 |зона           = right
 |направление    = horizontal
 |подпись = Обозначение кварцевого резонатора на принципиальных [[Электрическая схема|электрических схемах.]]
 |изобр1  = Crystal-oscillator-IEC-Symbol.svg
 |подпись1 = по стандарту [[Международная электротехническая комиссия|МЭК (IEC)]] 
 |изобр2  = УГО кварца ГОСТ 2.736-68.svg
 |подпись2 = по ГОСТ 2.736-68<ref>{{Cite web |url=http://files.stroyinf.ru/Data/182/18226.pdf |title=ГОСТ 2.736-68 Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Элементы пьезоэлектрические и магнитострикционные; линии задержки. |access-date=2018-11-21 |archive-date=2018-11-21 |archive-url=https://web.archive.org/web/20181121203733/http://files.stroyinf.ru/Data/182/18226.pdf |deadlink=no }}</ref>
|ширина1=120|ширина2=120}}
'''Ква́рцевый резона́тор''' ({{slang|«кварц»}}) — электронный прибор, в котором [[пьезоэлектрический эффект]] и явление [[механический резонанс|механического резонанса]] используются для построения [[добротность|высокодобротного]] резонансного элемента электронной схемы.

Следует отличать кварцевый резонатор от устройств, использующих другие [[Пьезоэлектрики|пьезоэлектрические]] материалы — например, специальную керамику (см. {{iw|керамический резонатор|||Ceramic resonator}}).

== Принцип действия ==
[[File:Quarz-Schwingungsmodi-2-ru.svg|thumb|Разные виды колебаний кварцевых резонаторов]]
На пластинку, тонкий цилиндр, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца с определённой ориентацией относительно кристаллографических осей монокристалла нанесены 2 или более электродов — проводящие металлические полоски, выполненные напылением в вакууме или вжиганием плёнки металла на заданные поверхности кристалла.

Резонатор механически крепится в узлах рабочей [[Нормальные колебания|моды колебаний]], чтобы снизить потери колебательной энергии через крепление кристалла. Для иных мод колебаний узлы собственных колебаний расположены в иных местах кристалла и поэтому иные моды колебаний подавлены. Для рабочей моды колебаний кристалл имеет некоторую собственную резонансную частоту механических колебаний, причем на этой частоте [[добротность]] механического резонатора очень высока.

При подаче напряжения на электроды благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту происходит изгиб, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кристалл относительно кристаллографических осей, конфигурации возбуждающих электродов и расположения точек крепления.

Собственные колебания кристалла в результате пьезоэлектрического эффекта наводят на электродах дополнительную ЭДС и поэтому кварцевый резонатор электрически ведёт себя подобно резонансной цепи — [[Колебательный контур|колебательному контуру]], составленному из [[Электрический конденсатор|конденсаторов]], [[Катушка индуктивности|индуктивности]] и [[резистор]]а, причем добротность этой эквивалентной электрической цепи очень велика и близка к добротности собственных механических колебаний кристалла.

Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это тоже соответствует поведению электрического колебательного контура.

== Эквивалентная электрическая схема ==
[[Файл:Crystal oscillator.svg|180px|thumb|Условное обозначение кварцевого резонатора (сверху) и его эквивалентная схема (снизу)]]
По поведению в электрических цепях кварцевый резонатор можно в первом приближении представить в виде эквивалентной электрической схемы, изображённой на рисунке где:

: <math>C_0</math> — собственная ёмкость кристалла, образуемая электродами на кристалле — обкладками конденсатора, где диэлектриком является сам кристалл и параллельно соединённой с этой ёмкостью паразитной ёмкостью кристаллодержателя и электрических выводов;
: <math>C_1</math>, <math>L_1</math> — эквивалентные ёмкость и индуктивность механической колебательной системы резонатора;
: <math>R_1</math> — эквивалентное сопротивление потерь механической колебательной системы.

Математически [[электрический импеданс]] в виде [[Преобразование Лапласа|преобразования Лапласа]] можно по правилам параллельного и последовательного соединения [[двухполюсник]]ов записать:

: <math>Z(s) = \left( {\frac{1}{s\cdot C_1}+s\cdot L_1+R_1} \right) \left\| \left( {\frac{1}{s\cdot C_0}} \right) \right. ,</math>

: где <math>s = j\omega</math> — комплексная частота преобразования Лапласа, двумя вертикальными чертами обозначено параллельное соединение конденсатора <math>C_0</math> и цепи, состоящей из последовательно соединённых <math>C_1</math>, <math>L_1</math>, <math>R_1</math>,

или:

: <math>Z(s) = \frac{s^2 + s\frac{R_1}{L_1} + {\omega_\mathrm{s}}^2}{s \cdot C_0 \cdot (s^2 + s\frac{R_1}{L_1} + {\omega_\mathrm{p}}^2)} .</math>

В такой эквивалентной схеме наблюдается два вида резонанса — последовательный, который наступает при равенстве реактивных сопротивлений <math>X_{C_1}</math> и <math>X_{L_1}</math>, при этом резонансе полное электрическое сопротивление (модуль импеданса) мало и практически равно <math>R_1</math> и параллельный резонанс, при котором равны полные сопротивления <math>X_{L_1}</math> и полное сопротивление цепи, состоящей их последовательно соединённых пары конденсаторов <math>X_{C_1, C_2}</math>, при этом полное сопротивление цепи велико, так как ток при резонансе протекает во внутреннем контуре, состоящем из всех двухполюсников эквивалентной схемы.

Резонансная частота последовательного резонанса <math>\omega_\mathrm{s}</math>:

: <math>\omega_\mathrm{s} = \frac{1}{\sqrt{L_1 \cdot C_1}}.</math>

Резонансная частота параллельного резонанса <math>\omega_\mathrm{p}</math>:

: <math>\omega_\mathrm{p} = \sqrt{\frac{C_1+C_0}{L_1 \cdot C_1 \cdot C_0}} = \omega_s \sqrt{1+\frac{C_1}{C_0}}.</math>

Измерением импеданса кварцевого резонатора на четырёх различных частотах после решения системы 4 уравнений можно определить параметры всех двухполюсников, входящих в эквивалентную схему. Практически, типичная ёмкость конденсатора <math>C_1</math> составляет десятые и даже сотые доли пФ, индуктивность <math>L_1</math> единицы-десятки [[Генри (единица измерения)|Гн]], сопротивление <math>R_1</math> — десятки-сотни [[Ом]], паразитная ёмкость <math>C_0</math> — десятки [[Фарад|пФ]].

Так как [[волновое сопротивление]] <math>R_w = \sqrt{\frac{L_1}{C_1}}</math> при последовательном и параллельном резонансах очень велико относительно последовательного сопротивления <math>R_1</math>, это обеспечивает очень высокую [[добротность]] резонансной цепи, достигающей нескольких миллионов.

Так как практически <math>C_0 \gg C_1</math>, формулу для частоты параллельного резонанса можно упростить:

: <math>\omega_\mathrm{p} = \sqrt{\frac{C_1+C_0}{L_1 \cdot C_1 \cdot C_0}} = \omega_s \sqrt{1+\frac{C_1}{C_0}} \approx \omega_s \left(1 + \frac{C_1}{2 C_0}\right).</math>

Опять же, так как <math>C_0 \gg C_1</math> из формул следует, что частоты последовательного и параллельного резонансов очень близки, например, для типичных <math>C_1 = 0,1</math> пФ и <math>C_0 = 10</math> пФ для кварцевого резонатора в несколько МГц частоты резонансов различаются на 0,5 %.

Резонансную частоту последовательного резонанса <math>\omega_\mathrm{s}</math> невозможно изменить подключением к кварцевому резонатору внешней цепи, так как индуктивность и ёмкость <math>C_1</math>, <math>L_1</math> эквивалентной схемы определяются собственным механическим резонансом кристалла.

Резонансную частоту параллельного резонанса можно снижать в небольших пределах, практически на доли процента, так как <math>C_0 \gg C_1</math> и ёмкость <math>C_0</math> входит в формулу для частоты подключением к кварцевому резонатору внешнего конденсатора. Также возможно в малых пределах увеличить резонансную частоту подключением внешней [[Катушка индуктивности|катушки индуктивности]], этот способ применяется редко.

Изготовители кварцевых резонаторов при их изготовлении механически [[Юстировка|юстируют]] резонансную частоту при некотором подключённом внешнем конденсаторе. Ёмкость конденсатора, обеспечивающего заявленную изготовителем частоту параллельного резонанса, обычно указывают в спецификации на конкретный резонатор, без подключения этого внешнего конденсатора резонансная частота будет немного выше.
{{-}}

== История ==
[[Файл:Schwingquarz-im-Röhrenformat.JPG|thumb|Кварцевый резонатор в герметичном стеклянном корпусе пальчикового бесцокольного исполнения]]
[[Файл:Crystal oscillator 4MHz.jpg|thumb|Резонатор на 4 МГц в миниатюрном металлическом герметизированном корпусе {{nobr|HC-49/US}}]]
[[Файл:Verschiedene Schwingquarze.jpg|thumb|Металлические корпуса разнообразных размеров]]
[[Пьезоэлектрический эффект]] был впервые открыт братьями [[Кюри, Жак|Жаком]] и [[Кюри, Пьер|Пьером Кюри]] в 1880 году. [[Ланжевен, Поль|Поль Ланжевен]] впервые практически использовал этот эффект в ультразвуковом излучателе и приемнике ультразвука [[гидролокатор]]а перед [[Первая мировая война|первой мировой войной]].

Первый электромеханический резонатор на основе [[Сегнетова соль|сегнетовой соли]] был изготовлен в 1917 году и запатентован в 1918 году Александром М. Николсоном ({{lang-en2|Alexander M. Nicholson}}) из компании [[Лаборатории Белла|Bell Telephone Laboratories]], хотя его приоритет оспаривался Уолтером Гайтоном Кэди ({{lang-en2|Walter Guyton Cady}}), который изготовил кварцевый резонатор в 1921 году.

Некоторые улучшения в конструкцию кварцевых резонаторов предложены позже [[Эссен, Льюис|Льюисом Эссеном]] и Джорджем Вашингтоном Пирсом ({{lang-en2|George Washington Pierce}}).

Первые стабильные по частоте кварцевые резонаторы были разработаны в 1920—1930-х годах. Начиная с 1926 года, кварцевые резонаторы на радиостанциях стали использоваться в качестве элементов, задающих [[Несущая частота|несущую частоту]]. В это же время резко возросло количество компаний, начавших выпускать кварцевые резонаторы, например, только до 1939 года в США было выпущено более чем {{num|100|тыс.}} штук.

== Применение ==
Одним из самых популярных видов резонаторов являются резонаторы, применяемые в часовых схемах и [[таймер]]ах. Частота одних из самых популярных часовых резонаторов составляет {{num|32768|Гц}}.<ref>{{Cite web |url=https://www.chipdip.ru/news/32768hz-quartz-resonators |title=Часовые кварцевые резонаторы 32768Гц<!-- Заголовок добавлен ботом --> |access-date=2023-01-22 |archive-date=2023-01-21 |archive-url=https://web.archive.org/web/20230121222209/https://www.chipdip.ru/news/32768hz-quartz-resonators |deadlink=no }}</ref>

Применяются в генераторах с фиксированной частотой, где необходима высокая стабильность частоты. В частности, в опорных генераторах синтезаторов частот и в трансиверных радиостанциях для формирования DSB-сигнала на промежуточной частоте и детектирования SSB или телеграфного сигнала.

Также применяются в кварцевых [[Полосовой фильтр|полосовых фильтрах]] [[Промежуточная частота|промежуточной частоты]] супергетеродинных приёмников. Такие фильтры могут выполняться по лестничной или дифференциальной схеме и отличаются очень высокой [[добротность]]ю и стабильностью по сравнению с LC-фильтрами. В старых радиостанциях, прежде всего военных, наборы кварцевых резонаторов использовались для моментальной настройки на нужную частоту.

По типу корпуса кварцевые резонаторы могут быть выводные для объёмного монтажа (стандартные и цилиндрические) и для [[Поверхностный монтаж|поверхностного монтажа]] (SMD).

Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры, как допуск по частоте (отклонение частоты), стабильность частоты, нагрузочная ёмкость, [[Старение материалов|старение]].

=== Преимущества ===
* Достижение намного бо́льших значений [[Добротность|добротности]] ({{val|e=4}}—{{val|e=6}}) эквивалентного колебательного контура, нежели любым другим способом.
* Малые размеры устройства (вплоть до долей миллиметра).
* Высокая температурная стабильность.
* Большая долговечность.
* Лучшая технологичность.
* Построение качественных каскадных фильтров без необходимости их ручной настройки.

=== Недостатки ===
* Чрезвычайно узкий диапазон подстройки частоты внешними элементами. На практике, для многодиапазонных систем эта проблема решается построением [[синтезатор частот|синтезаторов частот]] различной степени сложности.

== См. также ==
* [[Кварцевые часы]]
* [[Кварцевый генератор]]
* [[Генератор Пирса]]
* [[Генератор тактовых импульсов]]
* [[Резонистор]]
* [[Атомные часы]]
* [[Пьезокерамический излучатель]]

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* {{книга
|автор         = Смагин А. Г., Ярославский М. И.
|часть         = 
|ссылка часть  = 
|заглавие      = Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы
|оригинал      = 
|ссылка        = 
|викитека      = 
|ответственный = 
|издание       = 
|место         = М.
|издательство  = «Энергия»
|год           = 1970
|том           = 
|страницы      = 
|страниц       = 488
|серия         = 
|isbn          = 
|тираж         = 6000
}}

* {{книга
|автор         = Альтшуллер Г. Б.
|часть         = 
|ссылка часть  = 
|заглавие      = Кварцевая стабилизация частоты
|оригинал      = 
|ссылка        = 
|викитека      = 
|ответственный = 
|издание       = 
|место         = М.
|издательство  = «Связь»
|год           = 1974
|том           = 
|страницы      = 
|страниц       = 272
|серия         = 
|isbn          = 
|тираж         = 5600
}}

* {{книга
|автор         = Андросова В. Г., Банков В. Н., Дикиджи А. Н. и др.
|часть         = 
|ссылка часть  = 
|заглавие      = Справочник по кварцевым резонаторам
|оригинал      = 
|ссылка        = 
|викитека      = 
|ответственный = Под ред. П. Г. Позднякова
|издание       = 
|место         = 
|издательство  = Связь
|год           = 1978
|том           = 
|страницы      = 
|страниц       = 288
|серия         = 
|isbn          = 
|тираж         = 15000
}}

* {{книга
|автор         = Глюкман Л. И.
|часть         = 
|ссылка часть  = 
|заглавие      = Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы
|оригинал      = 
|ссылка        = 
|викитека      = 
|ответственный = 
|издание       = {{nobr|3-е изд.,}} перераб. и доп
|место         = М.
|издательство  = Радио и связь
|год           = 1981
|том           = 
|страницы      = 
|страниц       = 232
|серия         = 
|isbn          = 
|тираж         = 10000
}}

* {{книга
|автор         = Зеленка И.
|часть         = 
|ссылка часть  = 
|заглавие      = Пьезоэлектрические резонаторы на объёмных и поверхностных акустических волнах: Материалы, технология, конструкция, применение: Пер. с чешск
|оригинал      = 
|ссылка        = 
|викитека      = 
|ответственный = 
|издание       = 
|место         = М.
|издательство  = Мир
|год           = 1990
|том           = 
|страницы      = 
|страниц       = 584
|серия         = 
|isbn          = 5-03-001086-6
|тираж         = 4050
}}

* {{книга
|автор         = Ладик А. И., Сташкевич А. И.
|часть         = 
|ссылка часть  = 
|заглавие      = Изделия электронной техники. Пьезоэлектрические и электромеханические приборы: Справочник
|оригинал      = 
|ссылка        = 
|викитека      = 
|ответственный = 
|издание       = 
|место         = М.
|издательство  = Радио и связь
|год           = 1993
|том           = 
|страницы      = 
|страниц       = 104
|серия         = 
|isbn          = 5-256-01145-6, ISBN 5-256-00588-X
|тираж         = 3000
}}

== Ссылки ==
{{навигация}}
* {{Из БСЭ|заглавие=Кварцевый генератор}}
* [https://www.omgtu.ru/general_information/faculties/radio_engineering_department/department_quot_radio_devices_and_diagnostic_systems_quot/educational-materials/Radio_transmitter/Quartz_resonators_and_generators_(tutorial).pdf ''Хоменко И. В.,  Косых А. В.'' Кварцевые резонаторы и генераторы. Учебное пособие.] {{Wayback|url=https://www.omgtu.ru/general_information/faculties/radio_engineering_department/department_quot_radio_devices_and_diagnostic_systems_quot/educational-materials/Radio_transmitter/Quartz_resonators_and_generators_(tutorial).pdf |date=20181124003712 }}

{{Библиоинформация}} {{^v}}
{{Электронные компоненты|state=expanded}}
{{Часы|state=collapsed}}
{{Микроконтроллеры|state=collapsed}} {{^v}}

{{нет сносок|дата=2012-05-13}}

[[Категория:Электронные компоненты]]
[[Категория:Пьезоэлектроника]]