Кварцевые резонаторы

§ 4.5. Кварцевые генераторы

§ 4.5. Кварцевые генераторы ........................................... 151

I. Современная элементная база микроэлектроники: большие и сверхбольшие интегральные микросхемы с числом элементов 105—106 на кристалл и более, сверхскоростные микросхемы, СВЧ- и оптоэлектронные приборы. Существующие и разрабатываемые устройства функциональной электроники: кварцевые генераторы, генераторы Ганна, приборы с зарядовой связью, акустоэлект-ронные приборы, электротепловые и оптоэлектронные устройства.

В качестве усилителей мощности в радиопередатчиках на частотах до 4000 МГц применяются электронные лампы специальной конструкции. В сантиметровом диапазоне для этой цели служат клистроны и лампы бегущей волны (ЛБВ). Нестабильность частоты передатчика вызывает необходимость расширения полосы пропускания приемника, что уменьшает дальность действия системы. Для стабилизации частоты применяют кварцевые генераторы, имеющие относительную стабильность 10~5-МО~6. При термостатировании стабильность частоты такого генератора возрастает до 10~7—10~9. При этом увеличиваются масса, габариты и энергопотребление задающего каскада передатчика.

Гораздо лучшие показатели стабильности частоты обеспечивают кварцевые генераторы. Схема кварцевого генератора приведена на 18. 18, г. Здесь кварц используется в качестве эквивалентной индуктивности. Он образует с емкостью конденсатора С последовательный колебательный контур, имеющий на частоте резонанса минимальное сопротивление (см. § 3.3). Следовательно, на этой частоте ПОС достигает максимума и возникает генерация. Для стабилизации режима усилитель охвачен глубокой ООС по постоянному напряжению. Для облегчения выполнения условия баланса амплитуд ООС на частоте генерации устраняется правильным выбором емкости конденсатора Ci. Для этого необходимо выполнение условия Xcl = 1/(2я/0 С, )«:/?. В термостатированных кварцевых генераторах достигается нестабильность частоты порядка 10 %/°С.

разомкн;,гтые схемы ( 4.4, в и г), содержащие кроме уже упоминавшихся блоков формирователи Ф импульсов и генератор /' импульсов эталонной частоты/0. Интервал времени Тх и частота fx могут быть преобразованы в цифровую форму с наиболее высокой точностью, так как в соответствующих АЦП используются наиболее совершенные меры — кварцевые генераторы стабильной частоты. Естественно, это привело к широкому распространению тех АЦП, в которых входная величина подвергается промежуточному преобразованию в длительность периода или в частоту, в частности АЦП развертывающего преобразования (времяимпульс-ного типа) и АЦП двойного интегрирования (пример реализации последнего будет рассмотрен ниже).

В соответствии с программой курса в данном учебнике рассматриваются ламповые и транзисторные генераторы и применительно к вопросам стабилизации частоты пьезоэлектрические (кварцевые) генераторы.

Измерение высоких и низких частот с высокой точностью производится обычно путем сравнения измеряемой частоты с образцовой. В качестве источников образцовой частоты используют специальные, так называемые кварцевые генераторы, обеспечивающие точность образцовой частоты до значений порядка 1 -10~8—1 -Ю"9.

Кварцевые генераторы. Кварцевые генераторы получили свое название от кристалла кварца, который используется в генераторе вместо колебательного контура. Добротность колебательного контура на кварце и его стабильность настолько велики, что достичь таких значений в схемах генераторов LC- или /?С-типа

Гораздо лучшие показатели стабильности частоты обеспечивают кварцевые генераторы. Схема кварцевого генератора приведена на 18.18,г. Здесь кварц используется в качестве эквивалентной индуктивности. Он образует с емкостью конденсатора С последовательный колебательный контур, имеющий на частоте резонанса минимальное сопротивление (см. § 3.3). Следовательно, на этой частоте ПОС достигает максимума и возникает генерация. Для стабилизации режима усилитель охвачен глубокой ООС по постоянному напряжению. Для облегчения выполнения условия баланса амплитуд ООС на частоте генерации устраняется правильным выбором емкости конденсатора Ct. Для этого необходимо выполнение условия Хс1 = 1/(2п/0 C1)-^.R. В термостатированных кварцевых генераторах достигается нестабильность частоты порядка 10 "^ °/о/°С.

Генераторы. Вообще говоря, ПТ по своим характеристикам могут быть хорошей заменой биполярных транзисторов почти в любой схеме, которая выигрывает благодаря их уникально высокому полному входному сопротивлению и малому входному току смещения. Примерами таких схем являются высокостабильные LC-iенераторы и кварцевые генераторы, которые мы представим в разд. 5.18, 5.19 и 13.11.

Кварцевый резонатор представляет собой однородную пластину монокристалла кварца. Чаще всего в кварцевом резонаторе возбуждаются продольные колебания (объемные акустические волны) по типу сжатие — растяжение. Основным электрическим параметром кварцевых резонаторов является резонансная частота, которая жестко фиксирована. Основной размер, определяющий частоту колебаний кварцевого резонатора,—длина пластины. Кварцевые резонаторы обладают наибольшей стабильностью частоты.

Высокой стабильностью частоты обладают автогенераторы с кварцевой стабилизацией. В таких автогенераторах используют кварцевые резонаторы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами. Эквивалентная схема кварцевого резонатора показана на 5.6, а.

г) кварцевые резонаторы среза XY^_6» имеют низкий температурный коэффициент частоты при b/l — p< 0,17 и 0,3 < р <0,5, что позволяет использовать их в узкополосных фильтрах.

Акустоэлектронные приборы наиболее широко применяются в качестве различных фильтров (например, кварцевые резонаторы) и линий задержки. Однако возможно создавать и усилительные акустоэлектронные приборы, ибо в некоторых полупроводниках (например, сульфиде и селениде кадмия) наблюдается пьезоэлектрический эффект.

Помимо LC-контуров в резонансных усилителях применяют кварцевые резонаторы, электромеханические и магнитострикцион-ные фильтры, работающие на частотах от нескольких десятков герц до 10 — 20 МГц и имеющие эквивалентную добротность от нескольких десятков до нескольких десятков (и даже сотен) тысяч. Это позволяет создавать усилители с чрезвычайно узкой полосой пропускания, очень малыми собственными шумами, способные выделять на фоне интенсивных шумов и помех очень слабые сигналы.

Механические потери в кварце весьма малы, и эквивалентное сопротивление потерь гк составляет 30—1000 Ом, в то время как эквивалентная индуктивность LK может доходить до нескольких десятков и даже сотен генри. Поэтому эквивалентная добротность контура кварцевого резонатора может достигать 10е. Емкость Ск составляет сотые доли пикофарады. Генераторы с кварцевыми резонаторами обычно выполняются по стандартным схемам: в виде генератора Пирса ( 79, г) или генератора Колпитца ( 79, д). В этих (очень простых и весьма стабильных) схемах кварцевые резонаторы включены таким образом, что на частоте резонанса обеспечивают дополнительный фазовый сдвиг в 180°, вследствие чего обратная связь в цепи сток-затвор оказывается положительной.

Резонансные частоты кварцевых резонаторов лежат в пределах от нескольких сотен герц до нескольких десятков мегагерц. На более низких частотах кварцевые резонаторы слишком громоздки, а при частотах в десятки мегагерц размеры их столь малы, механическая прочность оказывается недостаточной.

Требования к стабильности частоты генератора в приборах, работающих с датчиками прямого преобразования, как правило, не являются жесткими, и в специальных мерах стабилизации частоты генераторы таких приборов не нуждаются. Исключение составляют приборы с частотными, временными и фазовыми датчиками. В этих случаях приходится стабилизировать частоту опорного генератора. В качестве стабилизирующего элемента чаще всего применяются камертонные или кварцевые резонаторы. На 18-6 приведена схема стабилизированного кнарцем простого транзисторного генератора. Нестабильность частоты такого генератора обусловливается нестабильностью кварцевого резонатора, которая для частот 1 —10 кгц составляет 10—4, а для диапазона частот 20 кгц—1 Мгц равна 10~5.

Термошумовые термометры . . . Газовые и кварцевые резонаторы Ядерный квадрупольный резонанс Термометры сопротивления:

Для удаления остатков полировальной суспензии и других загрязнений, а также дефектного слоя, кварцевые резонаторы подвергают химической очистке и травлению. Заготовки перед травлением должны иметь геометрические размеры с припусками по длине и ширине 10 мкм, а при толщине 1—3 мкм. Химическую очистку проводят в такой последовательности. Сначала кварцевые заготовки промывают в ультразвуковой ванне, затем кипятят в растворе хромпика в течение 3—4 мин, охлаждают до температуры 312—323 К и промывают в проточной горячей воде в течение 10—15 мин. Травление кварцевых заготовок выполняют в плавиковой кислоте, затем промывают в растворе щелочи и в проточной воде и сушат теплым воздухом. Время травления для каждого типа пьезо-элементов резонаторов подбирается экспериментально и зависит от температуры и концентрации кислоты.

II Глюкман Л. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. — М.: Радио и связь, 1981.—232 с.