Что такое кварцевый генератор?

Что такое кварцевый генератор?

Кварцевый генератор — это устройство, которое генерирует определенную частоту путем включения колебательного контура в механический резонанс кварцевого кристалла, используя пьезоэлектрическое явление кварца. Эти устройства известны своей высокой точностью, часто порядка ppm (частей на миллион).

Другие типы колебательных контуров, такие как LC, CR и те, которые используют керамические элементы, ограничены процентной точностью, тогда как кристаллические колебания могут достигать большей точности.

Пригодность кварца для электронных схем обусловлена ​​его пьезоэлектрическим эффектом, что делает его важнейшим компонентом в технологиях, предшествующих транзисторам и интегральным схемам (ИС).

Применение кварцевых генераторов

Кварцевые генераторы используются в различных приложениях, в том числе в качестве источников частотного сигнала в телекоммуникационном оборудовании, источников синхронизации в кварцевых часах и источников сигнала цветовой синхронизации в телевизорах. В последнее время они стали необходимыми для обеспечения источников тактовой частоты с фиксированной частотой для цифровых схем.

Эти генераторы имеют решающее значение для обеспечения высокочастотной стабильности и нерегулируемости для ИС и БИС (интегральных схем с более высокой сложностью). В результате они используются не только в традиционных устройствах, таких как телекоммуникационное оборудование, телевизоры и часы, но и в спутниковой связи, автомобилях, персональных компьютерах, DVD-оборудовании и других информационных устройствах.

Принцип работы кварцевых генераторов

Кварцевые генераторы функционируют, используя кварцевый кристаллический блок для генерации опорной резонансной частоты через колебательный контур. Пьезоэлектрическое явление кварца является ключевым в этом процессе. Однако кварцевый кристаллический блок сам по себе не может поддерживать необходимую амплитуду резонансной частоты.

В кварцевых генераторах внутренняя колебательная цепь регулирует силу и частоту сигнала опорной частоты. В то время как кварцевые кристаллы в природе состоят из диоксида кремния, кварц, используемый в кварцевых генераторах, является синтетическим, полученным из природного кристалла ласка. Этот синтетический кварц создается в контролируемых условиях в автоклаве, что приводит к получению больших, чистых, перекристаллизованных искусственных кристаллов.

Другая информация о кварцевых генераторах

1. Режимы колебаний кварцевых генераторов

Температурные характеристики частоты и режима колебаний изменяются в зависимости от угла среза кристалла относительно оси кристалла. Например, кварцевые кристаллы в наручных часах разрезаются так, чтобы иметь нулевой температурный коэффициент при температуре тела или комнатной температуре.

Режим колебаний, аналогичный вибрации тофу на разделочной доске, определяется толщиной среза кристалла.

2. Точность кварцевых генераторов

Обычные кварцевые генераторы имеют точность около 1/10 000 до 1/100 000, что значительно выше, чем у кремниевых или керамических генераторов, но не так точно, как у цезиевых генераторов в атомных часах. Температурно-компенсированные кварцевые генераторы (TCXO) обеспечивают еще более высокую точность за счет включения схемы, которая смещает температурные характеристики кристаллического блока.

3. Тип кварцевых генераторов Часовой механизм

Часы с кварцевым генератором или кварцевые часы функционируют как часы, преобразуя высокоточные колебания кварцевого генератора в частоту с интервалом в одну секунду путем деления частоты на ИС. Аналоговые часы используют эту частоту для управления шаговым двигателем, который перемещает стрелки, в то время как цифровые часы используют ее для управления дисплеем. Кварцевые часы имеют преимущество длительной работы с минимальным обслуживанием, особенно модели, работающие от солнечной энергии или оснащенные генераторами.

4. Сравнение с MEMS-генераторами

MEMS-генераторы, появляющиеся как альтернатива кварцевым генераторам, производятся с использованием процессов производства полупроводников, что позволяет интегрировать их в электронные схемы и миниатюризировать. Они обладают преимуществами в регулировке частоты и энергопотреблении, потенциально превосходя кварцевые генераторы по доле рынка.

5. Усилия по увеличению высоких частот

Поскольку растет спрос на более высокие частоты связи, возникает необходимость в кварцевых генераторах для поддержки более высоких частот. Достижения в технологии аналоговых схем, такие как ФАПЧ, позволяют увеличивать частоту, но существуют такие проблемы, как фазовый шум и температурные характеристики. Текущие разработки направлены на улучшение как кристаллического блока, так и колебательного контура для поддержки частот до 100 МГц.