Что такое кварц кварцевый генератор

Кварцевый генератор

Ква́рцевый генера́тор — автогенератор электромагнитных колебаний с колебательной системой, в состав которой входит кварцевый резонатор. Предназначен для получения колебаний фиксированной частоты с высокой температурной и временно́й стабильностью, низким уровнем фазовых шумов.

Содержание

Характеристики

Частота

Частота собственных колебаний кварцевого генератора может находиться в диапазоне от нескольких кГц до сотен МГц. Она определяется физическими размерами резонатора, упругостью и пьезоэлектрической постоянной кварца, а также тем, как вырезан резонатор из кристалла. Так как кварцевый резонатор является законченным электронным компонентом, его частоту можно изменять внешними элементами и схемой включения в очень узком диапазоне выбором резонансной частоты (параллельный или последовательный) или понизить параллельно включённым конденсатором. Существуют, однако, кустарные методики подстройки резонатора. Это целесообразно в случаях, когда желательно иметь несколько резонаторов с очень близкими параметрами. Для уменьшения частоты на кристалл кратковременно воздействуют парами йода (это увеличивает массу серебряных обкладок), для увеличения частоты обкладки резонатора шлифуют.

В 1997 году компания Epson Toyocom выпустила в свет серию генераторов SG8002, в конструктиве которых присутствуют блок подстроечных конденсаторов и два делителя частоты. Это позволяет получить практически любую частоту в диапазоне от 1 до 125 МГц. Однако, данное достоинство неизбежно влечёт за собой недостаток — повышенный джиттер (фазовый шум). Цитата: Генератор с внутренними цепями фазовой автоподстройки частоты необходимо с предельной осторожностью применять в схемах, содержащих внешние цепи ФАПЧ. [1]

Стабильность частоты

Колебания кварцевого генератора характеризуются высокой стабильностью частоты (10 −5 ÷ 10 −12 ), что обусловлено высокой добротностью кварцевого резонатора (10 4 ÷ 10 5 ).

Уровень фазовых шумов

У лучших генераторов спектральная плотность мощности фазовых шумов может быть менее −100 дБн/Гц на отстройке 1 Гц и менее −150 дБн/Гц на отстройке 1 кГц при выходной частоте 10 МГц.

Тип выходного сигнала

Генераторы могут изготавливаться как в модификации с синусоидальным выходным сигналом, так и с сигналом прямоугольной формы, совместимым по логическим уровням с одним из стандартов (TTL, CMOS, LVCMOS, LVDS и т. д.).

Наличие и тип термостабилизации

• термокомпенсированные (TCXO)
• термостатированные (OCXO, DOCXO)

Возможность перестройки частоты

• фиксированной частоты
• частота управляется напряжением (VCXO)
• частота управляется цифровым кодом (NCXO)

Принцип работы

Внешнее напряжение на кварцевой пластинке вызывает её деформацию. А она, в свою очередь, приводит к появлению зарядов на поверхности кварца (пьезоэлектрический эффект). В результате этого механические колебания кварцевой пластины сопровождаются синхронными с ними колебаниями электрического заряда на её поверхности и наоборот.

Для обеспечения связи резонатора с остальными элементами схемы непосредственно на кварц наносятся электроды, либо кварцевая пластинка помещается между обкладками конденсатора.

Для получения высокой добротности и стабильности резонатор помещают в вакуум и поддерживают постоянной его температуру.

Использование

Кварцевые генераторы используют для измерения времени (кварцевые часы), в качестве стандартов частоты. Кварцевые генераторы широко применяются в цифровой технике в качестве тактовых генераторов.

См. также

• Кварц
• Кварцевый резонатор
• Генератор электронный
• Генератор Пирса
• Генератор тактовых импульсов

Примечания

1. ↑Однократно программируемые кварцевые генераторы Epson

Литература

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Кравченко, Валерий Трофимович
• Клингоны

Полезное

Смотреть что такое «Кварцевый генератор» в других словарях:

КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР — автогенератор эл. магн. колебаний с колебат. системой, в состав к рой входит кварцевый резонатор. Предназначен для получения колебаний с высокой стабильностью частоты. Принцип построения электрич. схемы К. г. и его действия такие же, как и у… … Физическая энциклопедия

кварцевый генератор — Генератор переменного напряжения, стабилизирующим элементом частоты которого является кварцевый резонатор или пьезоэлемент. [ГОСТ 22866 77] Тематики кварцевые генераторы EN crystal oscillator … Справочник технического переводчика

Кварцевый генератор — маломощный генератор электрических колебаний высокой частоты, в котором роль резонансного контура играет кварцевый резонатор пластинка, кольцо или брусок, вырезанные определённым образом из кристалла кварца. При деформации кварцевой… … Большая советская энциклопедия

кварцевый генератор — маломощный генератор электрических колебаний высокой частоты, в котором колебательной системой служит кварцевый пьезоэлектрический резонатор или пьезоэлемент. Это пластинка, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца. При деформации… … Энциклопедия техники

кварцевый генератор — kvarcinis generatorius statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. crystal oscillator; crystal controlled oscillator; quartz oscillator vok. Quarzgenerator, m; Quarzoszillator, m rus. кварцевый генератор, m pranc. oscillateur à cristal, m;… … Automatikos terminų žodynas

кварцевый генератор — kvarcinis generatorius statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Generatorius, kuriantis elektrinius virpesius, kurių dažnis stabilizuojamas kvarciniu rezonatoriumi. atitikmenys: angl. quartz generator; quartz oscillator vok.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

кварцевый генератор — kvarcinis generatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. crystal oscillator; quartz oscillator vok. Quarzoszillator, m rus. кварцевый генератор, m pranc. oscillateur à cristal, m; oscillateur à quartz, m … Fizikos terminų žodynas

кварцевый генератор, управляемый напряжением — кварцевый ГУН Высокостабильный подстраиваемый генератор, в котором в качестве частотозадающего элемента использован кварцевый резонатор. [Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Англо русский толковый словарь справочник. Под редакцией Ю.М … Справочник технического переводчика

кварцевый генератор синхронизации — kvarcinis sinchronizavimo generatorius statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. crystal timing oscillator vok. kristallgesteuerter Synchronisationsoszillator, m rus. кварцевый генератор синхронизации, m pranc. oscillateur de… … Radioelektronikos terminų žodynas

дискретный кварцевый генератор — Кварцевый генератор, кварцевый резонатор и другие элементы которого представляют собой дискретные элементы, имеющие гальванические связи. [ГОСТ 22866 77] Тематики кварцевые генераторы EN crystal oscillator with discrete elements … Справочник технического переводчика

Кварцевые генераторы

Кварцевые генераторы

Относительная нестабильность частоты автогенераторов, выполняемых на резонаторах в виде LC-контуров, обычно не ниже 10 -3 . 10 -4 . Стабильность частоты генератора существенно зависит от добротности и стабильности колебательной системы. Добротность LC-контура обычно не выше 200. 300. К современным радиопередатчикам и приемникам предъявляются более высокие требования по стабильности частоты. Обычно требуется долговременная относительная нестабильность частоты не хуже чем 10 -6 . 10 -8 , что можно обеспечить, применяя кварцевые резонаторы. Добротность кварцевых резонаторов во много раз превышает добротность резонаторов на LC-контурах и составляет 10 4 . 10 6 .

Существует много схем кварцевых автогенераторов. Поэтому возникла необходимость рассмотреть наиболее часто применяемые на практике схемы. Общепринятая эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена на рис.1. Динамическая индуктивность Ls, динамическая емкость Cs и сопротивление потерь Rs обусловлены наличием прямого и обратного пьезоэффекта и резонансными свойствами пьезоэлемента. Параллельная емкость Ср обусловлена межэлектродной емкостью пьезоэлектрика, емкостью корпуса и монтажа. Резонансная частота динамической ветви называется частотой последовательного резонанса кварцевого резонатора Fs. Добротность кварцевого резонатора Q определяется динамической ветвью в соответствии с формулой для последовательного колебательного контура Q =(2pFsLs)/Rs

Частота параллельного резонанса Fp несколько выше Fs, что обусловлено параллельным резонансом Ср, Cs и Ls. Важным параметром кварцевого резонатора является отношение его параллельной емкости к динамической, обозначаемое г и называемое емкостным коэффициентом r=Cc/Cs

По разным литературным источникам, емкостной коэффициент для АТ-среза кварца равен 220. 250. Учитывая, что Cs/Cp 25 резонансный интервал, определяемый как разность между частотами параллельного и последовательного резонансов кварцевого резонатора, можно записать в виде dF=Fs/2r. На механических гармониках кварцевого резонатора резонансный интервал уменьшается и определяется выражением dFn=Fs/(2rn2), где n — номер гармоники.

Емкостной коэффициент определяет величину резонансного промежутка резонатора, следовательно, девиацию частоты управляемого кварцевого генератора, стабильность частоты при изменении параметров схемы, условия возникновения и поддержания колебаний в схеме кварцевого автогенератора. Для оценки способности кварцевого резонатора возбуждаться, в некоторых схемах кварцевых генераторов используют параметр, называемый фактором качества. Он определяется как отношение добротности резонатора к его емкостному коэффициенту м=Q/r.

Для кварцевых резонаторов значения М лежат в пределах от 1 до 10000. При М 2 резонатор имеет область индуктивной реакции, и чем больше значение М, тем эта область шире. На практике шире всего распространены два вида кварцевых генераторов: а) генераторы, в которых кварцевый резонатор является частью колебательного контура и эквивалентен индуктивности; б) генераторы, в которых кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи, используется как узкополосный фильтр и эквивалентен активному сопротивлению.

Кварцевые генераторы, в которых кварцевый резонатор используется в качестве элемента контура с индуктивной реакций, называют осцилляторными, а генераторы, в которых кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи, называют генераторами последовательного резонанса.

Осцилляторная схема кварцевого генератора с кварцем между коллектором и базой, выполненная по схеме с заземленным эмиттером (емкостная трехточка) приведена на рис.2.

В настоящее время емкостная трехточка находит широкое применение в диапазоне частот до 22 МГц при работе резонатора на основной частоте, и до 66 МГц при возбуждении на третьей механической гармонике (рис.3). Автогенератор с кварцевым резонатором между коллектором и базой в схеме с заземленным по высокой частоте эмиттером, не склонен к паразитным колебаниям на ангармонических обертонах, имеет превосходную стабильность частоты при изменении питающего напряжения и температуры окружающей среды.

Влияние изменений реактивных параметров транзистора, зависящих от напряжения питания и времени,ослабляется с ростом емкостей С1, СЗ (рис.2), т.е. с приближением рабочей частоты автогенератора к Fg. Однако чрезмерное увеличение емкостей приводит к ухудшению условий самовозбуждения. С другой стороны, с увеличением емкостей растет рассеиваемая на резонаторе мощность, что ведет к увеличению нестабильности генерируемой частоты. По техническим условиям рассеиваемая мощность на кварце ограничена 1. 2 мВт. Однако в диапазоне частот 1. 22 МГц при такой рассеиваемой мощности частота последовательного резонанса зависит от рассеиваемой мощности, а коэффициент пропорциональности составляет (0,5. 2) •10-9 Гц/мкВт, поэтому для высокостабильных генераторов рассеиваемую мощность на резонаторе следует ограничить величиной 0,1. 0,2 мВт.

На практике рекомендуется выбирать емкости С1, СЗ так, чтобы частота генерации отстояла от Fs не более чем на четверть резонансного интервала. При возбуждении кварцевого резонатора на нечетных механических гармониках кварца, вместо резистора R3 включают катушку индуктивности Lк (рис.3). На частоте генерации контур Lк-С4 должен иметь емкостное сопротивление, т.е. его резонансная частота должна быть ниже частоты генерации. Параметры контура следует выбирать так, чтобы его собственная частота составляла 0,7. 0,8 от частоты генерации. В результате контур имеет емкостную проводимость на частоте необходимой гармоники, что исключает возможность генерации на низших гармониках и основной частоте.

В осцилляторных генераторах, работающих на частоте выше 22 МГц, резонатор обычно возбуждают на 3-й или 5-й гармонике, но не на более высоких, так как сильно сказывается влияние параллельной емкости. Чаще чем приведенная на рис.2, применяется емкостная трехточечная схема кварцевого генератора с кварцевым резонатором между коллектором и базой в схеме включения транзистора с заземленным коллектором (рис.4). Эта схема особенно удобна для генераторов с электронной перестройкой частоты (при включении последовательно с кварцем варикапа), и имеет меньшее количество блокировочных элементов, чем схема с заземленным эмиттером. Многие специалисты в области кварцевых генераторов считают емкостную трехточку наилучшей из всех схем кварцевых генераторов, работающих на основной или 3-й механической гармонике резонатора. Следует отметить, что существует схема емкостной трехточки, не содержащая индуктивности, которая возбуждается на 3-й и 5-й гармониках.

Puc.4Puc.5

Автогенератор с кварцем в контуре. Если в схеме на рис.4 последовательно с кварцем включить катушку индуктивности L1, это приведет к появлению новых свойств, т.е. в генераторе (рис.5) возможны автоколебания, не стабилизированные кварцевым резонатором. На высоких частотах, где реактивное сопротивление параллельной емкости резонатора меньше реактивного сопротивления динамической ветви кварцевого резонатора, возможно самовозбуждение через параллельную емкость Ср. Наличие индуктивности L1 означает возможность выполнения баланса фаз на

частоте последовательного резонанса, а также в некоторой области расстроек ниже частоты последовательного резонанса. Индуктивность L1 обеспечивает выполнение баланса фаз в условиях, когда М
Puc.6

В этой схеме удается возбудить кварцевые резонаторы на 5-й или 7-й гармониках. Схемы с нейтрализацией статической емкости резонатора весьма критичны к режиму работы и сложны в регулировке, хотя их можно применять на частотах до 100 МГц. Верхний предел частот генератора с нейтрализацией обусловлен трудностью получения большого эквивалентного сопротивления контура с ростом частоты, так как начальную емкость контура нельзя сделать малой из-за паразитных емкостей.

Схема Батлера (рис.7) характеризуется наибольшей устойчивостью к дестабилизирующим факторам в диапазоне до 100 МГц. Верхний предел генерируемых частот обусловлен ухудшением свойств эмиттерного повторителя. В схеме Батлера кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи между эмиттерами транзисторов. Транзистор VT1 включен по схеме с общим коллектором, а транзистор VT2 — с общей базой. Недостатком этой схемы является склонность к паразитному самовозбуждению из-за связи выхода со входом через параллельную емкость кварца Ср. Для устранения этого явления параллельно кварцу подключают катушку индуктивности, образующую совместно с параллельной емкостью кварца резонансный контур, настраиваемый на частоту паразитного колебания.

Puc.7

Автогенератор по схеме Батлера на одном транзисторе с компенсацией Ср. На частотах до 300 МГц целесообразно применять однокаскадные схемы фильтров, например, схему фильтра с общей базой (рис.8). По существу, такой автогенератор представляет собой однокаскадный усилитель, в котором контур соединен с эмиттером биполярного транзистора через кварцевый резонатор, выполняющий роль узкополосного фильтра. Контур, образованный параллельной емкостью кварца Ср и катушкой L2, настраивают на частоту используемой гармоники. С увеличением рабочей частоты возрастают эквивалентные проводимости транзистора, т.е. выполнение условий самовозбуждения ухудшается. Однако, несмотря на это, условия самовозбуждения этого автогенератора на высоких частотах выполняются легче, чем автогенераторов с кварцем между коллектором и базой и кварцем в контуре, что определяет его преимущество.

Puc.8

В заключение необходимо отметить, что рассмотренные схемы кварцевых генераторов не исчерпывают всего многообразия схем генераторов, стабилизированных кварцевым резонатором, и на выбор схемы решающее влияние оказывают наличие кварцевых резонаторов с необходимыми эквивалентными параметрами, требования к выходной мощности, к мощности, рассеиваемой на резонаторе, долговременной стабильности частоты и др.

Немного о резонаторах. При выборе резонатора для генератора особое внимание следует обращать на добротность резонатора — чем она выше, тем стабильнее частота. Наибольшей добротностью обладают вакуумированные резонаторы. Но чем добротнее резонатор, тем он дороже. Часто встречаются резонаторы с большим уровнем побочных резонансов.

В СССР, кроме резонаторов из кварца, выпускались резонаторы из ниобата лития (с маркировкой РН или РМ), танталата лития (с маркировкой РТ) и из других пьезоэлектриков. Так как эквивалентные параметры таких резонаторов отличаются от параметров кварцевых резонаторов, они могут не возбуждаться в схемах, в которых отлично работают кварцы, хотя частота, маркированная на корпусе, может быть одинаковой. У них могут быть хуже стабильность частоты и точность настройки. Предприятия СССР, как правило, выпускали кварцевые резонаторы с основной частотой до 20. 22 МГц, а выше — на механических гармониках. Это связано с устаревшей технологией обработки кварцевых пластин. Зарубежные предприятия выпускают кварцы с основной частотой 35 МГц. Ведущие зарубежные фирмы выпускают резонаторы в виде так называемой обратной мезаструктуры, работающие на объемных колебаниях сдвига по толщине, у которых частота первой гармоники достигает 250 МГц! Используя такие кварцевые резонаторы в схемах генераторов, в которых в качестве колебательных систем применяются системы с распределенными параметрами индуктивности и емкости, можно получить высокостабильные колебания вплоть до частоты 750 МГц без умножения частоты!

КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ SMD

Кварцевые генераторы это источники опорной частоты и тактового сигнала во многих электронных схемах. Следовательно, они должны быть точными и стабильными. Конечно «идеальный» генератор существует только в теории, поэтому проблема состоит в том, чтобы выбрать правильный компонент, отвечающий требованиям конструкции. Радиолюбителю необходимо найти компонент, который обеспечивает баланс между производительностью, стоимостью, стабильностью, размером, мощностью, размерами и интерфейсом для связанных схем. Для этого нужно понимать как работает кварцевый генератор и его основные характеристики.

Как работают кварцевые генераторы

В КГ используется пьезоэлектрический резонатор с высокой добротностью, который является частью резонансного контура и включен в контур обратной связи. Используемый элемент и технология его изготовления определяют электрические и механические параметры.

Кристалл кварца с пьезоэлектрическим эффектом действует как стабильный и точный резонансный элемент с высокой добротностью

Много лет генераторы создавались с использованием ламп, затем транзисторов и теперь интегральных микросхем. Схема была адаптирована к так называемому углу среза кристалла кварца и его характеристикам, а также необходимым параметрам применения. В настоящее время попытки самостоятельно сконструировать кварцевые генераторы очень редки, поскольку получение хороших результатов требует времени и точного измерительного оборудования. Вместо этого просто покупаем небольшой готовый модуль SMD, который содержит как кварцевый резонатор, так и схему генератора и выходной драйвер. Это снижает затраты и время на разработку, и гарантирует получение элемента с известными параметрами.

Кстати, радиолюбители часто используют слово «кварц», хотя на самом деле говорят обо всей схеме генератора. Обычно это не проблема, поскольку предполагаемое значение можно понять из контекста. Но иногда это может привести к путанице, поскольку можно также купить кварцевый резонатор как отдельный компонент, а затем добавить к нему отдельно схему генератора.

Параметры кварцевых генераторов

Производительность кварцевого генератора определяется набором важных параметров, таких как:

Рабочая частота — может быть от десятков кГц до сотен МГц. Генераторы для высоких частот, то есть выше основного диапазона резонатора, например в диапазоне гигагерц, обычно используют контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в качестве умножителя для увеличения основной частоты.

Стабильность частоты — определяет отклонение выходной частоты от исходного значения из-за внешних условий, поэтому чем оно меньше, тем лучше. Есть много факторов которые влияют на стабильность генерируемой частоты, и многие производители указывают их в спецификациях, например изменение температуры по сравнению с номинальной частотой при 25?C. К другим факторам относятся долговременная стабильность к старению, а также влияние процесса пайки, колебания напряжения и изменения выходной нагрузки. Для высокоточных продуктов она обычно выражается в частях на миллион (ppm) или частях на миллиард (ppb) в зависимости от номинальной выходной частоты.

Джиттер во временной области и фазовый шум в частотной области — два равных параметра, характеризующих одни и те же недостатки

Фазовый шум и джиттер — два показателя одного класса производительности. Фазовый шум характеризует колебания в частотной области, а джиттер во временной. Фазовый шум обычно определяется как отношение шума в полосе частот 1 Гц при определенном сдвиге частоты fM к амплитуде сигнала генератора на частоте fO. Фазовый шум ухудшает точность, разрешение и отношение сигнал / шум (SNR) в синтезаторах частот, в то время как джиттер вызывает ошибки синхронизации и, таким образом, способствует увеличению частоты ошибок по битам (BER) при передаче данных.

Фазовый шум рассеивает спектр генерируемой частоты и отрицательно влияет на разрешение и отношение сигнал / шум

Джиттер (под этим словом имеется ввиду дрожание фронтов) во временной области вызывает ошибки выборки в аналого-цифровых преобразователях, также влияет на отношение сигнал / шум (SNR) и результаты последующего анализа сигналов в частотной области с использованием быстрого преобразования Фурье (FFT).

К примеру семейство генераторов MultiVolt ECS обеспечивает базовую стабильность до ± 20 ppm, а версии SMV — до ± 5 ppm. Еще лучше продукты TCXO со стабильностью ± 2,5 ppm в версии с выходами HCMOS и ± 0,5 ppm для моделей с так называемыми выходами усеченной синусоиды.

Фазовый шум и джиттер всегда являются важным критерием выбора в усовершенствованном проектировании и должны учитываться при оценке ошибок. Обратите внимание, что существует множество типов джиттера, включая абсолютный, межцикловый, фазовый, долговременный и периодический. Для фазового шума также существуют различные диапазоны и типы интеграции, включая белый и другие шумы.

Понимание специфики колебаний частоты и фазового шума в генераторе и того, как они влияют на производительность, часто может быть проблемой. Также важно иметь хорошее представление о различных определениях параметров, используемых производителями для количественной оценки характеристик генератора и оценки общей погрешности.

Тип выходного сигнала и выходной драйвер — должны быть адаптированы к нагрузке. Две популярные топологии конфигурации выходов — несимметричная и дифференциальная.

Различные конфигурации выхода генератора

Генераторы с несимметричным выходом проще в использовании, но они более чувствительны к шуму и обычно подходят только до нескольких сотен мегагерц. Среди типов выходов доступны следующие драйверы:

• TTL с логикой от 0,4 до 2,4 В,
• CMOS от 0,5 до 4,5 В,
• HCMOS (быстрая CMOS) от 0,5 до 4,5 В,
• LVCMOS (низковольтная CMOS) от 0,5 до 4,5 В.

Дифференциальные выходы труднее использовать, но они обеспечивают лучшую производительность на высоких частотах, так как шум, общий для дифференциальных трактов, нейтрализуется. Типы дифференциальных выходов:

• PECL от 3,3 до 4,0 В,
• CML от 0,4 до 1,2 В и от 2,6 до 3,3 В,
• LVPECL (низковольтный PECL) от 1,7 до 2,4 В,
• LVDS от 1,0 до 1,4 В,
• HCSL от 0,0 до 0,75 В

Форма выходного сигнала генератора может быть классической одночастотной синусоидальной волной или синусоидальной волной с обрезанными пиками. Чистый синус наименее подвержен дрожанию и колебаниям по сравнению с версией с ограничением компаратора, поскольку он добавляет шум и дрожание и, таким образом, ухудшает качество. А подрезанная синусоида похожа на прямоугольную волну и может быть напрямую введена в цифровую логику.

Усеченная синусоида имеет форму прямоугольной волны с небольшим дрожанием или фазовым шумом

Напряжение и ток питания: потребление энергии значительно снизилось в последние годы, напряжение питания становится ниже, что соответствует потребностям современных устройств с батарейным питанием. Большинство генераторов могут работать с напряжением питания 1,8, 2,5, 3,0 и 3,3 В.

Размер корпуса: корпуса генератора также становятся меньше. Многие производители сохраняют стандартные размеры для версии с несимметричным выходом (для которой требуется только четыре контакта), в то время как версии с дифференциальным выходом имеют шесть контактов и, следовательно, более крупные корпуса с размерами: 1612 1,6 х 1,2 мм, 2016 2,0 х 1,6 мм, 2520 2,5 х 2,0 мм, 3225 3,2 х 2,5 мм, 5032 5,0 х 3,2 мм, 7050 7,0 х 5,0 мм.

Диапазон температур. Наибольшее влияние на работу генераторов оказывает температура. Даже если потребляемая мощность мала и самонагревание практически незначительно, температура окружающей среды влияет на рабочую частоту, поскольку эти изменения влияют на механические размеры и силы механического напряжения в кристалле кварца. Важно проверить работу выбранного генератора на крайних значениях ожидаемых диапазонов.

Для некоторых конструкций учитывается не только стабильность как функция температуры, но и необходимость удовлетворения других требований к надежности. Например, ECS-2016MVQ — миниатюрный SMD-генератор с выходом HCMOS с напряжением от 1,7 до 3,6 В. Керамический корпус размера 2016 (2,0 х 1,6 мм) имеет высоту всего 0,85 мм. Он разработан для требовательных промышленных устройств и сертифицирован AEC-Q200 (автомобильная промышленность) класса 1. Он доступен с частотами от 1,5 до 54 МГц с четырьмя степенями стабильности, от ± 20 до ± 100 частей на миллион в диапазоне от -40°C до + 85°С. Его фазовый джиттер очень мал, всего 1 пс в диапазоне от 12 кГц до 5 МГц.

Чипы ECS-2016MVQ и ECS-TXO-32CSMV — кварцевый генератор с обрезанной синусоидой на выходе и встроенной температурной компенсацией

Кварцы TCXO имеют более сложную конструкцию по сравнению с базовой версией, но потребляют значительно меньше энергии, чем OCXO со встроенным нагревателем, который обычно требует нескольких ватт. Кроме того, TCXO лишь немного больше, чем некомпенсированный блок, и значительно меньше, чем OCXO.

ECS-TXO-32CSMV — это пример TCXO с синусоидальным выходом в корпусе SMD из серии MultiVolt (питание от 1,7 до 3,465 В), доступный для диапазона частот от 10 до 52 МГц. Керамический корпус размером 3,2 x 2,5 x 1,2 мм идеально подходит для портативных и беспроводных устройств, где стабильность имеет решающее значение. Спецификация говорит об очень высокой температурной стабильности, с изменениями напряжения питания, различной нагрузкой и старением, а также низким потреблением тока ниже 2 мА.

Низкое энергопотребление в КГ

Мобильная электроника и область Интернета вещей (IoT) создают большой спрос на низкочастотные кварцевые генераторы, необходимые для схем с чрезвычайно низким энергопотреблением. Для таких целей подходит микросхема ECS-327MVATX в SMD-версии (корпуса с 2016 по 7050) с фиксированной частотой 32,768 кГц. Она потребляет всего 200 мкА и имеет выход CMOS. Она идеально подходит для использования с часами реального времени (RTC) и Интернетом вещей, обеспечивая стабильность частоты в диапазоне от ± 20 ppm до ± 100 ppm в диапазоне температур от -40 до + 85 C.

Чтобы свести к минимуму энергопотребление, многие генераторы допускают отключение. Например, ECS-5032MV с выходом CMOS в керамическом корпусе 5032. Дополнительный блокирующий контакт позволяет снизить ток питания с 35 мА в активном состоянии до 10 мкА в состоянии ожидания. Время запуска 5 мс.

В общем решение о выборе правильного кварцевого генератора — это больше, чем очевидное рассмотрение частоты, питания, стабильности и фазового шума. Разработчик также должен убедиться, что драйвер КГ совместим с нагрузкой. Вот несколько общих рекомендаций:

• Для выхода LVDS требуется только один согласующий резистор в приемнике сигнала, в то время как LVPECL требует его как в передатчике, так и в приемнике.
• LVDS, LVPECL и HCSL обеспечивают более крутые наклоны, чем CMOS, но потребляют больше энергии и лучше всего подходят для высокочастотных проектов.
• CMOS или LVDS — лучший выбор для самого низкого энергопотребления на частотах выше 150 МГц.
• LVPECL, LVDS, затем CMOS обеспечивают самый небольшой джиттер на низких частотах.

Справочник по кварцевым генераторам

А здесь вы можете скачать PDF справочник по современным кварцевым генераторам, включая их характеристики и подробное описание.

Кое-что о кварцевых генераторах

Александр Лапиков

Еще совсем недавно 10-15 лет назад на рынке кварцевых изделий стран бывшего СССР безраздельно господствовали 3-4 отечественных производителя кварцевых резонаторов, кварцевых генераторов и кварцевых фильтров со своей добротной, но, к сожалению, технически устаревшей продукцией. Несомненным плюсом для потребителей того времени была абсолютная определенность типов, технических требований, параметров качества и надежности, установленными в соответствии с ТУ и ГОСТами для большинства кварцевых изделий, имеющихся на рынке. Ситуация кардинально изменилась с открытием западных и, особенно, восточных рынков, когда на отечественных производителей электронной аппаратуры буквально обрушился поток предложений по поставке кварцевых изделий со всевозможных стоковых складов и разного рода малоизвестных производителей.

С одной стороны в этом был и есть очевидный прогресс, так как появился выбор – основа рыночных отношений. Ведь те потребители, которых не особо заботит качество и надежность выпускаемой продукции могут без проблем использовать дешевые генераторы со стоковых складов из числа тех, от которых, по понятным причинам, отказались зарубежные производители электронной техники. Такие кварцевые изделия, как правило, характеризуются низкой ценой (зачастую ниже себестоимости при их производстве), большой номенклатурой частот и корпусов, а также совершенно неопределенными параметрами, неизвестной датой выпуска (может превышать 15 и более лет) и отсутствием гарантии нормальной работоспособности. Отличительные особенности такого рода кварцевых генераторов приведены в таблице на примере сравнения их с кварцевыми генераторами немецкой фирмы JAUCH, философия которой основывается на следующих постулатах: технический прогресс – высочайшее качество – конкурентная цена – всеобъемлющий сервис.

Характеристика

Дешевые кварцевые генераторы

Генераторы Jauch Quartz

Комментарии

Внешний вид

Нет видимых отличий по сравнению с высококачественными кварцевыми генераторами.

Внешний вид кварцевых генераторов Jauch Quartz должен соответсвовать требованиям каталога по типам, размерам, маркировке, упаковке и т.п.

Поверхностный контроль внешнего вида зачастую бывает ошибочным, так как не гарантирует работоспособности изделия в аппаратуре заказчика. Необходимо наличие дополнительного контроля на соответствие требованиям каталога.

• Присутствует только частота
• Нет обозначения:
— принадлежности фирмы-изготовителя;
— типа генератора;
— даты изготовления.
• Маркировка в основном наносится краской, частично размазана, плохо читается.Лазерная маркировка с нечеткими переходами, часто наблюдается наличие коррозии.

В маркировке кроме частоты присутствует кодовое обозначение типа генератора, принадлежность к Jauch Quartz, дата изготовления.Лазерная маркировка с четкими границами, легко читается , не стирается, отсутствует коррозия. Тип генератора предполагает наличие в маркировке кодового обозначения суммарной стабильности и напряжения питания, а для VCXO диапазона перестройки.

Маркировка краской может нарушаться воздействием температуры, активными средами, и т.д. Плохо читаемая маркировка способствует наличию ошибок при применении генераторов. Отсутствие в маркировке типа генератора способствует ошибочному применению его у потребителя. Некачественная маркировка, отсутствие принадлежности к производителю и даты выпуска исключает гарантийные претензии к производителю. Наносится ущерб потребителю.

Стандартные параметры (общие для всех типов)

Стабильность частоты

Производятся только с широким отклонением от номинальной частоты и низкой стабильностью. При этом отсутствует параметр суммарной стабильности частоты генератора при воздействии всех дестабилизирующих факторов. В этом случае истинную стабильность генератора можно определить только с помощью дополнительных специальных испытаний.

У генераторов Jauch указывается суммарная стабильность частот при воздействии всех дестабилизирующих факторов:
— точность настройки при +25С;
— температурная стабильность в рабочем диапазоне температур;
— старение;
— изменение напряжения питания;
— внешних воздействующих факторов и т.д.

Наличие у кварцевых генераторов Jauch параметра суммарная стабильность частоты генератора позволяет разработчику на стадии проектирования оптимизировать их применение в конкретной схеме. Отсутствие такового у дешевых кварцевых генераторов способствуют ошибочному их применению у потребителя, в результате чего наблюдается нарушение функционирования изделия в целом. Наносится ущерб потребителю.

Отсутствует параметр «старение» или его значение неопределено. Зачастую «старение» дешевых кварцевых генераторов превышают общепринятые значения.

Для генераторов Jauch параметр «старение» входит в состав суммарной стабильности и учитывается разработчиком в его составе.

Высокое значение параметра «старение» характеризует применение в таких кварцевых генераторах низкосортных кварцевых кристаллов и дешевых материалов. Применение кварцевых генераторов с неопределенным значением «старения» приводит к отказам аппаратуры заказчика с течением времени. Наносится ущерб потребителю.

Напряжение питания

Производятся лишь с двумя значениями напряжения питания 5V и 3.3V, что ограничивает их применение в целом. Зачастую и условные обозначения не дают окончательного вывода о действительном напряжении питания для того или иного типа генератора.

Кварцевые генераторы Jauch изготавливаются со следующими значениями напряжения питания 1,8V; 2,5V; 2,8V; 3,0V; 3,3V; 5,0V, что позволяет использовать эти генераторы практически в любых электрических схемах.

Неизвестное значение U_пит у кварцевых генераторов может привести к неправильному их применению и, как привило, к отказу и нарушению функционирования электрической схемы прибора. Наносится ущерб потребителю.

Потребляемый ток

Зачастую потребляемый ток для таких кварцевых генераторов превышает установленные средние значения. В ряде случаев установить его можно лишь опытным путем в каждом конкретном случае.

У кварцевых генераторов Jauch потребляемый ток строго соответствует приведенным в каталоге таблицам в зависимости от частоты, нагрузочной способности, напряжения питания и типа корпуса, что позволяет разработчику на стадии проектирования выбрать оптимальный вариант для функционирования той или иной электрической схемы.

Превышение установочного значения тока потребления у кварцевого генератора приводит к его перегреву, что, в свою очередь. отрицательно сказывается не только на его работоспособности, но и на функционировании всего электрического прибора в целом. Наносится ущерб потребителю.

Выходной сигнал

В большинстве своем такие генераторы предполагают TTL-тип или HCMOS-тип, при этом задержки выхода на режим неопределены и превышают установочные значения. Симметричность сигнала в большинстве случаев 40-60%, наблюдается большой уровень шумов.

Производятся как совмещенные HCMOS/TTL тип, что значительно расширяет их применение в различных электрических схемах. Уровень задержки строго регламентирован в зависимости от типа генератораи частотного диапазона. Симметричность сигнала для большинства типов не превышает 45-55%. Определен уровень шумов для каждого типа.

Отсутствие современных требований к выходному сигналу значительно ограничивает применение таких генераторов, а зачастую делает это просто невозможным. Потребитель несет убытки.

Удары и вибрации

Параметры не определены, тестирование не проводится.Конструкция кварцевых генераторов не выдерживает повышенных механических нагрузок.

Эксплуатационные параметры при механических воздействиях определены, имеются в каталоге и соответствуют стандартам AEC-Q200-REV B: MIL-STD-202 Метод 213 MIL-STD-202 Метод 204

Устойчивость к ударам и вибрациям является важным фактором, связанным с внешними воздействиями, как то: транспортировка, автоматизированная установка, ультразвуковая очистка, работа в движущейся аппаратуре на транспортных средствах и т.д. Применение кварцевых генераторов не удовлетворяющих этим требованиям к возимой аппаратуре с повышенными механическими воздействиями приведет к непрогнозируемым. отказам при эксплуатации. Наносится ущерб потребителю.

Влагостойкость и герметичность

Параметры не определены, тестирование не проводится.

Влагостойкость уровень 1 MIL-STD-202 Метод 106 Проверка на герметичность конструкции проводится с помощью теста на утечку гелия и пробы на гигроскопичность.Постоянно проверяется вся продукция.

Влажность является причиной коррозии, утечек, постепенного ухудшения электрических параметров вследствие деградации внутриконструктивных соединений.Применение кварцевых генераторов без контроля на влагостойкость, герметичность и гигроскопичность недопустимо в изделиях, где возможна влажная среда. Наносится ущерб потребителю.

Тестирование в активных средах

Имеются следы коррозии. Корпус и основание генераторов – выполнены из никелированной стали. Выводы плохо паяются.

Устойчивость к коррозии. Корпус – нейзильбер (сплав меди с цинком и никелем). Выводы – Ковар + SnAgCu покрытие, которое обеспечивает великолепную паяемость.

Активная среда – причина окислений, коррозии, утечек, ухудшения электрических параметров. Наносится ущерб потребителю.

Тест на эксплуатационный срок службы

MIL-STD-202 Метод 108 Тест установлен перед началом массового производства.

Функционирование и конструктив кварцевых изделий Jauch Quartz, верифицированы и согласованы. Отсутствие отказов кварцев, обеспечивает повышение надежности аппаратуры в целом. Отсутствие этого наносит ущерб потребителю.

Устойчивость к температуре пайки. Пригодность к пайке

Температура пайки до 230°C max.Точные параметры пайки не определены.

Допускаются любые виды пайки. Наличие точных режимов пайки: температура пайки до 260°C в соответствии с J-STD-002.

В соответствии с требованиями Европейского Союза о не применении свинца (RoHS) и WEEE + отсутствие свинца (Pb-free) установленными к исполнению на 1 июля 2006г., необходимо увеличение температуры пайки. Она вырастет до 260°C. Этим обеспечивается надежность соединения без причинения ущерба параметрам резонатора.

Упаковка россыпью в коробки (пластиковые пакеты). Частично на ленте в катушке.Отсутствие на упаковке принадлежности к конкретному производителю. Упаковочные коробки из неударопрочного дешевого картона. Отсутствие на упаковке ТХ на изделия.

Упаковка в коробки из специального ударопрочного картона. Упаковка на подложке. Упаковка на ленте в коробке. Упаковка на ленте в катушке. Jauch Quartz использует для упаковки только 100% экологически чистые материалы. Упаковочные материалы оптимизированы и предполагают защиту от ударов и вибраций, предназначены для длительной транспортировки.

Материалы и методы упаковки должны гарантировать сохранность и защиту от ударов при транспортировке, а также быть экологически чистыми.Упаковка должна иметь четкие признаки завода изготовителя, а также этикетку с указанием всех необходимых ТХ в соответствие с требованиями каталога.Отсутствие этого наносит ущерб потребителю.

Сервис и поддержка

• Техническая поддержка по оптимальному применению;
• Информационная техническая поддержка и поддержка по качеству;
• Центр тестирования и измерений;
• Ежедневный буферный запас на складе;
• Оперативная отправка продукции заказчику.

Наличие набора сервисных услуг позволяет оптимизировать применение кварцевых изделий в аппаратуре заказчика с учетом критериев ТХ-КАЧЕСТВО-ЦЕНА-ДОСТУПНОСТЬ ПОСТАВКИ.Отсутствие этого вызывает дополнительным затраты у потребителя.

Таблица предназначена прежде всего для производителей электронной аппаратуры, которые строят свою техническую политику на применении самых современных комплектующих, для которых качество, надежность и гарантии работоспособности аппаратуры являются основой для продвижения своего продукта на рынки и залогом дальнейшего развития. Приведенные в таблице сведения помогут конструкторам избежать многих ошибок при применении того или иного кварцевого генератора, а работникам служб комплектации — при их закупках.

Кварцевые генераторы и сфера их применения

По мере развития электроники все большую роль в аппаратуре начинает играть цифровая техника. Никакие мало-мальски технически сложные устройства, будь то спутниковый ресивер либо схема управления электродвигателем, не обходятся без микропроцессорных узлов, и в них все большую роль играют электронные компоненты, отвечающие за генерацию тактовой частоты: ведь от этого зависит и надежность управляющей системы, и точность показаний измерительного прибора, и устойчивость работы связного передатчика.

Бурный прогресс в электронике и смежных отраслях привел к тому, что появился новый тип прибора, предназначенного для генерации сигналов с высокой стабильностью. Если рассмотреть схемы многих цифровых (и не только) устройств, то легко заметить, что достаточно распространенными являются узлы генерации частоты. Естественно, если подобный узел достаточно часто приходится включать в устройство, то вполне логичным ходом является разработка унифицированного модуля, предназначенного как раз для генерации сигнала.

Эти готовые функционально законченные узлы представляют собой резонатор со схемой генерации, усиления и формирования выходного сигнала, помещенные в герметичный корпус. Такой электронный прибор, как правило, не требует большого количества дополнительных элементов обвязки и отличается широким диапазоном исполнений. Если рассматривать корпуса, то тут существует масса исполнений — от полноразмерного DIL-14 до сверхминиатюрных SMD толщиной 1 мм (рис.1). Есть полностью экранированные приборы с заземленным корпусом, есть приборы в керамическом корпусе, существуют и устройства в пластмассовом корпусе — для недорогой техники. Наиболее известными производителями генераторов в мире являются Epson, Ralton, Jauch и Hosonic.

Генераторы выпускаются во всем разнообразии возможных требований к выходному сигналу: есть генераторы, работающие со стандартной ТТЛ-логикой, с выходным сигналом с КМОП-уровнем для экономичных устройств, а есть и такие, которые выдают на выходе чистую синусоиду, как, например, некоторые генераторы компании Morion. Существует достаточно много видов кварцевых генераторов, имеющих различные функциональные возможности и области применения. В первую очередь стоит отметить отключаемые генераторы, которые имеют управляющий вывод для переключения их в третье высокоимпендансное состояние, благодаря чему появляются довольно широкие возможности для управления генератором. Например, с помощью управляющего вывода можно организовать режим stand-by в том случае, когда необходимо отключить генерацию, либо же в целях снижения энергопотребления устройства.

Типичный представитель — серия генераторов HO-26 производства корпорации Hosonic, способная выдавать КМОП-сигнал с частотой до 125 МГц.

Для кварцевых резонаторов наиболее критичным параметром является стабильность тактовой частоты. Для некоторых устройств, таких, как системы связи, навигации, точной настройки и точного времени, допуск по стабильности, которым обладают типовые резонаторы, уже не удовлетворяет как класс. Следовательно, возникла потребность вдругих приборах, обладающих совершенно другими характеристиками стабильности. Так что же это закомпоненты?

Одна из бурно развивающихся ветвей отрасли — VCXO, генераторы, управляемые напряжением. Эти приборы обладают отличительной особенностью — возможностью изменения тактовой частоты в зависимости от напряжения на управляющем входе (диапазон подстройки может составлять от200 ppm), что открывает широкие возможности для настройки и калибровки вплоть до использования в качестве PLL-генератора. Производством подобных приборов занимается компания Hosonic. Они выпускаются в различных исполнениях —от типового генератора в стандартном корпусе VC-61 досверхминиатюрного компонента для SMD-монтажа VC-S толщиной менее 2 мм.

Частота генератора может изменяться от множества внешних факторов и наиболее критичным здесь является изменение температуры. Теоретически можно взять VCXO и подключить к нему через калибровочный вход схему, которая будет отслеживать изменения через внешний датчик и выдавать некий компенсационный сигнал на выходе, но никакому разработчику не хочется себе лишней головной боли, а стабильность генерации критична… Здесь назревает еще одно техническое решение — термокомпенсированные генераторы напряжения. Они уже содержат схему компенсации температурного дрейфа частоты, при этом точность может достигать значений вплоть до 0,5 ppm. Более того, термостатированные генераторы работают в более широком диапазоне температур, нежели их нетермостатированные собратья — работоспособность сохраняется при температуре вплоть до –60 °С. Термостатированные генераторы обладают еще одним достоинством— меньшим временем выхода на режим (стабильная частота устанавливается за несколько секунд). Существуют различные разновидности генераторовтермостатов, втом числе приборы со схемой термической стабилизации и генераторы сустройствами подогрева кварцевого кристалла. Для высокоточной аппаратуры разработаны ультрапрецизионные генераторы, которые имеют выдающиеся характеристики по стабильности и не менее выдающуюся стоимость.

Еще одно из направлений в разработке кварцевых генераторов — так называемые программируемые генераторы. Суть в следующем: часто производители имеют в своей номенклатуре сотни позиций с различными значениями тактовых частот, но все равно всвязи с появлением новых разработок есть потребность в том, чтобы расширять линейку продуктов, и все это требует ресурсов и времени. А если появляется какая-либо новая разработка и необходимо срочно ее внедрять, то тут-то можно и воспользоваться программируемым осциллятором. Не менее эффективно их использовать в качестве генераторов на нестандартные частоты в малых партиях приборов. Такие компоненты выпускает, например, фирма Epson. Так, серия SG-8002CA может работать с частотами от 1 до 125 МГц при типовом значении стабильности 50 ррm (рис.2).

Следующий виток эволюции — еще более интересное устройство VCXO со схемой умножения частоты для работы на более высоких частотах, нежели стандартный потолок для подобного рода приборов (125 МГц). Например, очень интересный генератор MLO80100 выпускает фирма M/A-COM, входящая в концерн Tyco Electronics. Этот прибор может работать на частотах 920–950МГц, перестраиваясь в этом диапазоне при температурном дрейфе всего 0,06МГц/°С. Прибор выпускается в виде гибридного экранированного модуля под бескорпусный монтаж (рис.3).

Устройство позиционируется производителем как эффективное решение для систем связи и телеметрии. Эта же компания производит синтезаторы частоты, по сути дела являющиеся гипертрофированными VCXO (рис.4). Они содержат схему стабилизированного генератора, устройство умножения частоты с программируемым коэффициентом умножения, несколько петель обратной связи для калибровки и устройство управления генерацией. Типичный представитель таких устройств — синтезатор частоты для CDMA базовых станций MLS9203-01815 счастотным диапазоном работы 1780–1850МГц. Он имеет шаг перестройки частоты всего 50кГц (рис. 5). У фирмы M/A-COM есть целая линейка подобного рода приборов для работы в составе различных высокочастотных устройств: абонентских базовых станций, беспроводных сетей, систем навигации и т.п. Частотный диапазон работы компонентов лежит в интервале от 30 МГц до 2,5 ГГц. Более подробно схемотехнику и особенности этих элементов мы предполагаем описать вотдельной статье.

Итак, существует устойчивая тенденция кразвитию кварцевых резонаторов и интеграции их с другими электронными блоками. При использовании кварцевых генераторов и им подобных компонентов появляется хорошая возможность упростить схему устройства, уменьшить количество дискретных элементов, и как следствие, резко повысить надежность разрабатываемого прибора. Следуя общей тенденции интеграции электронных блоков (в особенности это касается подстраиваемых генераторов и синтезаторов частоты), подобные компоненты существенно улучшают как массо-габаритные характеристики разрабатываемых устройств, так и их технический уровень.

Что такое кварцевый генератор

Точность поддержания частоты в приведенных схемах невысока. Частота «уходит» примерно на 10—^20% при изменении напряжения питания от 5 до 15 В и в достаточно большой степени зависит от температуры (использова­ние высокостабильных резисторов и конденсаторов не поможет, и потому нецелесообразно). Чтобы избавиться от этого, необходимо использовать кварцевый резонатор, в просторечии — просто кварц.

Здесь не место для того, чтобы подробно излагать принципы работы кварце­вого (или реже употребляемого керамического, который обладает несколько меньшей стабильностью) резонатора — это нужно делать в курсе радиотех­ники в сравнении со свойствами колебательного контура. Вкратце дело за­ключается в следующем: если приложить к кварцевому параллелепипеду, выпиленному из целого кристалла в определенной ориентации относительно его осей, напряжение, то кристалл деформируется — очень не намного, но все же достаточно, чтобы на этом принципе даже делать прецизионные ма­нипуляторы для электронных микроскопов или выталкивающие жидкость поршни в струйных принтерах Epson. Это т. и. обратный пьезоэлектриче­ский эффект. Имеет место и противоположный прямой эффект — если такой кристалл деформировать, то у него на гранях появляется разность потенциа­лов — это используется в специальных тензометрических кварцах.

Получается, что если мы включим такой кристалл в схему с обратной связью, то она начнет генерировать, причем частота генерации будет зависеть ис­ключительно от размеров кристалла— и ни от чего больше! Как, спросите вы, даже от температуры не будет зависть? Вот именно — пьезоэлектриков, как называют вещества, ведущие себя подобно кварцу, много, но чаще всего используют именно кварц, так как он помимо пьезоэлектрических свойств обладает еще и одним из самых низких на свете температурных коэффициен­тов расширения.

В результате кварцевые генераторы без каких-либо дополнительных ухищ­рений дают погрешности порядка 10

^ долей от номинальной частоты. Такие доли обозначаются какррт (part per million), а иногда просто как 10″^. Температурная нестабильность кварцев не превышает долей или единиц ррт. Это значит, что уход часов с таким генератором составляет не более 1 секун­ды в сутки. Правда, для того, чтобы реализовать потенциал кварцевых резо­наторов полностью, нужны специальные схемы включения, иногда довольно громоздкие (обычно их делают на дискретных элементах), но и схемы на цифровых инверторах, приводимые далее, дают результат не хуже примерно 10’»^ во всем диапазоне питающих напряжений и температуры.

На кварцах работают все бытовые электронные часы, и вообще в любом со­временном бытовом электронном устройстве вы обязательно найдете кварц, а иногда и не один. Кварцы выпускают на определенные частоты, при приоб­ретении их следует обращать внимание на возможное отклонение частоты от номинальной, которая может составлять от долей ррт до десятков и даже сотен ррт. Если нужна повышенная точность, то можно приобрести специа­лизированные очень стабильные резонаторы с погрешностью начальной ус­тановки до 10’^ выпускаются и готовые генераторы на разные частоты (осо­бенно большой выбор предлагает фирма, название которой обычно ассоциируется совсем с другими продуктами — Epson, приобретшая в свое время компанию, известную своей часовой торговой маркой Seiko).

Большинство кварцевых генераторов в цифровой технике строят по одной и той же схеме, которая очень проста и требует всего одного инвертора, резистора и двух конденсаторов. Схема эта показана на рис. 16.4, а. Чтобы не перегружать выход (это будет влиять на стабильность) нагружать такой генератор можно только на один-два КМОП-входа, поэтому обычно на вы­ходе ставят еще буферный элемент. Если частота с выхода подается, на­пример, только на вход КМОП-счетчика, то его можно не ставить. Пара­метры всех элементов можно менять в довольно больших пределах — так, емкость конденсаторов может меняться от 10 до 100 пФ (как рассчитать значение емкости более точно, см. «Подробности» далее), причем они не обязательно должны быть одинаковыми— изменением С1 можно под­страивать частоту в пределах 4—5 знака после запятой. Сопротивление ре­зистора R1 может меняться от 1 до 20 МОм, R2 — от нуля до сотен килоом (меньшие значения при более высокочастотных кварцах). Схема потребля­ет несколько десятков микроампер при напряжении питания 5 В и устойчи­во работает для кварцев с частотами от десятков килогерц до 1 МГц для «классической» КМОП и до 10 МГц для КМОП-элементов из быстродейст­вующих серий. Правда, с некоторыми старыми отечественными кварцами (вроде РК-72) могут быть проблемы.

Рис. 16.4. Схемы кварцевых генераторов на КМОП-элементах

Инвертор, естественно, может представлять собой и просто инвертор, и мно­говходовой логический элемент с объединенными входами. Во втором слу­чае один из входов можно использовать для запуска и остановки генерации, как в схеме на рис. 16.2, б.

Конденсаторы С1 и С2 в схеме на рис. 16.4, а рассчитывают, исходя из номи­нальной емкости нагрузки С„, которая указывается для каждого кварцевого ре­зонатора. Если она неизвестна, то можно ориентироваться на значение 12,5 пФ для «часовых» кварцев и на значение 16—32 пФ для кварцев частотой 1—16 МГц. Номинал С каждого из конденсаторов (при условии их равенства) можно рассчитать по приблизительной формуле С = 2Сн – 10 пФ, где 10 пФ — «среднепотолочное» значение емкости монтажа плюс емкости входа-выхода инвертора. Таким образом, для «часовых» кварцев эти емкости должны быть порядка 15 пФ, а для более высокочастотных — 22—5бпФ. Для микросхем вроде часов реального времени, где конденсаторы уже имеются в составе микросхемы, указывается номинальная нагрузочная емкость внешнего квар­цевого резонатора. Правильно подобранное значение емкости гарантирует более точное соответствие частоты генератора номинальной, но это не зна­чит, что при других значениях емкости генератор не заработает: чем больше значение емкостей, тем больше и потребляет схема, но и тем бьютрее она «заводится». Указанные на схеме значения 22 пФ оптимальны, если использо­вать резонатор «не глядя».

Кварцевые резонаторы имеют предельно допустимую мощность рассеяния, которая невелика — от 1—3 мкВт для «часовых» кварцев в цилиндрических корпусах 6×2 или 8×3 мм, до 30—50 мкВт в низких прямоугольных корпусах (HC-49S) и 1—2 мВт для кварцев в стандартных прямоугольных корпусах типа HC-49U. Превышение допустимой мощности еще не означает выхода резона­тора из строя (хотя может случиться и такое: смотря насколько превысить), но стабильность генератора снижается. Значение рассеиваемой мощности на кристалле W можно грубо прикинуть, исходя из падения напряжения на резо­наторе: И/= (Ук/к, где /к — ток через резонатор, который определяется в основ­ном резистором R2. Его величина подчитывается, исходя из напряжения на выхо/^е инвертора и^ых’. k = U^bJRi = U^J2R2 (делитель 2 появляется, так как на выходе мы имеем меандр, а не постоянное напряжение). Рассчитать (Ук. форма которого близка к синусоидальной, непросто, но можно померить экс­периментально: для «часового» кварца в схеме по рис. 16.4, а его действую­щее значение равно примерно 0,05 от напряжения питания. Итого при номи­налах резисторов и конденсаторов, близких к указанным на схеме, мощность на «часовом» резонаторе составляет около 1 мкВт при напряжении питания 5 В и линейно растет с напряжением питания, поэтому при 15 В самые миниа­тюрные кварцы лучше не ставить.

Недостатком схемы на рис. 16.4, а является то, что на низких частотах она достаточно долго «заводится» при включении — установление режима для «часового» кварца 32 768 Гц может занимать секунды, в зависимости от зна­чения емкостей, и в это время схема потребляет довольно большой ток — до 15 мА. Этого недостатка лишена более сложная схема на рис. 16.4, б, кото­рая, однако, работает только при частотах в десятки килогерц, то есть ориен­тирована на «часовые» кварцы. Потребление такой схемы при напряжении питания 3,3 В и использовании указанных на схеме элементах серии 74НС составляет 180 мкА (3 мА в момент включения), а время выхода на режим при включении питания или подаче разрешающего высокого уровня на вход «Пуск/Стоп» не превышает 0,2—0,3 с. При отключении подачей низкого уровня на вход «Пуск/Стоп» схема потребляет меньше 1 мкА. В этой схеме резонатор работает в более щадящем режиме, чем в схеме на рис. 16.4, а.

Специально для измерения температуры выпускают термочувствительные кварцы, обладающие чувствительностью порядка 50—90 ррт изменения час­тоты на каждый градус изменения температуры. Кварцы эти бывают на раз­ные частоты: 30—40 кГц, 5 МГц, 10—40 МГц и пр. Если заменить в схеме на рис. 16.4, б «часовой» кварц аналогичным термочувствительным (например, отечественным РКТ-206 с частотой 32,7 кГц), то получится отличный мало­потребляющий датчик температуры с частотным выходом и отрицательным наклоном зависимости частоты от температуры. Зависимость эту для быто­вых применений можно считать линейной, однако для прецизионных изме­рений температуры (для чего, собственно, такие кварцы и выпускают) при­ходится ее аппроксимировать полиномом 2-й и даже 3-й степени.

Заметки на полях

Кстати, мало кто знает, но в случае, если под рукой нет подходящего кварца, то схему на рис. 16.4, а вполне можно «завести», просто заменив резонатор малогабаритной индуктивностью. То же относится и к встроенным генерато­рам микроконтроллеров, которые строятся по аналогичной схеме. Частоту можно фубо прикинуть, если учесть, что постоянная времени LC-контура рав­на VZc, причем в качестве величины С нужно подставить сумму емкостей обоих конденсаторов, тогда частота будет примерно равна единице, деленной на удвоенную величину этой постоянной. Естественно, главное преимущество кварца — высокая стабильность — при этом пропадет, зато можно менять час­тоту, в том числе и плавно.