Что такое кварцевый кристалл?

Что такое кварцевый кристалл?

Кварцевый кристалл — это пассивный элемент, который вибрирует с постоянной частотой, известный как пьезоэлектрический элемент. Первоначально использовались природные кристаллы, но из-за возросшего спроса все более распространенными стали искусственные кристаллы, в которых используются такие материалы, как диоксид кремния, титанат бария и сегнетова соль.

При интеграции с колебательными контурами пьезоэлектрические элементы играют важную роль в электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, телевизоры, цифровые камеры, бытовая техника, а также в автомобильном и медицинском оборудовании. Толщина и метод резки кварцевого кристалла подбираются под требуемый диапазон частот. Например, метод «AT cut» позволяет получить кварцевый кристаллический блок, подходящий для широкого диапазона температур с частотами от 1 до 300 мегагерц.

Принцип работы кварцевого кристаллического блока

Пьезоэлектрический кристалл генерирует поверхностный заряд, пропорциональный приложенному давлению в определенном направлении, явление, известное как пьезоэлектрический эффект. Наоборот, приложение напряжения вызывает деформацию, называемую обратным пьезоэлектрическим эффектом. Хотя изначально использовались природные кристаллы, сейчас предпочтение отдается искусственным кристаллам, таким как диоксид кремния и титанат калия, чтобы удовлетворить возросший спрос.

Кварцевые кристаллы имеют прикрепленные электроды, что позволяет внешнему току течь. Поверхностный заряд кварцевого кристаллического блока периодически изменяется в ответ на фазу тока, что приводит к периодической деформации.

Использование кварцевого кристаллического блока

Кварцевые кристаллические блоки широко используются в различных бытовых электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, телевизоры, цифровые камеры и компьютеры, благодаря их стабильным и минимальным колебаниям частоты. Они также интегрируются в автомобили и медицинское оборудование. Колебательные схемы на основе кварцевых кристаллов очень точны, демонстрируя точность в диапазоне ppm (частей на миллион).

Обычно кварцевые кристаллические блоки чрезвычайно тонкие, толщиной от 20 до 50 микрометров. Электроды прикреплены к поверхности пластины для соединения с внешними клеммами. Толщина и режущие поверхности кристалла могут быть отрегулированы в зависимости от желаемых функций кварцевого кристаллического блока.

Частота кварцевого кристаллического блока

Частота кварцевых кристаллических блоков варьируется в зависимости от метода резки и толщины кристалла. Более тонкие кристаллы используются для более высоких частот, в то время как более толстые кристаллы подходят для более низких частот. Например, метод «AT cut» может производить блоки для широкого диапазона температур с частотами от 1 до 300 мегагерц.

Другие вариации угла среза, такие как «BT cut», охватывают диапазон частот от 7 до 38 мегагерц, отличаясь по стабильности частоты по сравнению с AT cut. Вилкообразные кристаллы обычно используются в хронометрических приложениях, поддерживая частоты 32,768 килогерц.

Емкость нагрузки

При интеграции кварцевого кристалла в схему решающее значение имеет согласование емкости нагрузки схемы с емкостью нагрузки кварцевого кристалла. Емкость нагрузки, рассматриваемая от кварцевого кристалла до колебательного контура, является виртуальным эквивалентным значением статической емкости последовательно. Чтобы стабилизировать схему от изменений емкости нагрузки, необходимо выбрать кварцевый кристалл с соответствующим значением емкости нагрузки.

В практических приложениях корректировки производятся на основе частоты колебаний, допустимого отклонения и значений емкости нагрузки кварцевого кристалла. Однако из-за различных факторов в реальных схемах существует плавающая емкость, что приводит к отклонению между частотой колебаний схемы и стандартной частотой емкости нагрузки. Регулировки включают определение разницы между этими частотами и тонкую настройку статической емкости схемы для минимизации этой разницы.