15.4 Кварцевые резонаторы и интегральные пьезокварцевые фильтры. Схема замещения кварцевого резонатора, применение кварцевых резонаторов.

Кварцевые резонаторы ZQ

Характеризуются номинальной частотой, отклонением этой частоты (температурный коэффициент частоты, коэффициент старения). По функции назначения подразделяются на генераторные и фильтровые. Наиболее подходящая форма – диск, толщина которого в 20-30 раз меньше чем его диаметр. Характер распределения колебаний и их амплитуду приведем на графике

Пьезокварцевые и пьезокерамические фильтры. Значительно большие возможности дают такие принципы преобразования электрических колебаний в механические или такие принципы связей элементов электрических цепей с механическими резонато­рами, при которых активные потери при преобразовании получа­ются малыми. Такими особенностями обладают преобразователи, в которых вследствие пьезоэффекта происходит возбуждение упру­гих механических колебаний. В этих преобразователях получает­ся своеобразный конденсатор, к обкладкам которого подается на­пряжение переменного тока. В промежутке между обкладками находится материал с пьезоэлектрическими свойствами. Для того, чтобы потери в элементе были незначительными, материал дол­жен иметь малые электрические потери, а механические упругие колебания должны происходить с малым затуханием.

Такими свойствами обладают кварц и пьезокерамика. Чтобы ис­пользовать для фильтрующих цепей элемент из кварца или пье­зокерамики, необходимо вызывать в нем механический резонанс, что достигается выбором геометрических размеров резонаторов из кварца или пьезокерамики. Схематическое изображение простей­шего резонатора в виде прямоугольного бруска дано на рис. 5.16, где 1 — резонатор из пьезокерамики или кварца; 2 — электроды в виде напыленной на поверхность металической пленки; 3—выводы.

Резонансная частота fo=Ni/l, где N_l — частотная постоянная материала. Емкость, отображающая свойства пьезорезонатора как простого конденсатора, С₀=8,84*10-²еbl/a, пФ, где b, l, с —гео­метрические размеры, см; e—диэлектрическая проницаемость ма­териала. Если к такому резонатору подвести напряжение с изме­няющейся частотой f, то при приближении к резонансу электри­ческое сопротивление резонатора значительно меняется из-за составляющих, вносимых в цепь резонатора резонирующей пла­стиной.

Схема замещения пьезоэлектрического резонатора, содержащая кроме Со ветвь LCR_P, отображающую действие резонатора, а так­же зависимость модуля сопротивления \Z\, полученную экспери­ментально с учетом потерь, и зависимость реактивного сопротив­ления х резонатора при отсутствии потерь приведены на рис. 5.17. Частота f_р соответствует частоте последовательного резонанса между индуктивностью L и емкостью С. При этом сопротивление резонатора резко уменьшается, достигая сопротив­ления R_p — активного сопротивления, отображающего наличие потерь при колебаниях пластины резонатора.

Частота f_a соответствует частоте параллельного резонанса между С₀ и эквивалентной индуктивностью, которой можно заме­нить последовательную цепь LCR_P.

При этом сопротивление резонатора R_a становится активным. До­бротность резонатора Q=2nf_pL/R_p достигает для пьезокерамики 300... 1200, а для кварца (30... 50) • 10³.

Таким образом, пьезоэлектрический (пьезокварцевый или пьезокерамический) резонатор с точки зрения воздействия на электрическую цепь представляет собой своеобразный контур с очень высокой добротностью. Очевидно, что такие контуры обла­дают значительно лучшими качествами в смысле потерь, чем электрические. Кроме того, они могут быть очень компактными и значительно более стабильными как при изменении темпера­турного режима, так и при длительной работе. Даже для пьезокерамики уходы частоты составляют доли процентов, что в электрических контурах труднодостижи­мо и требует увеличения их размеров.

Рассмотрим конструкцию пьезокварцевых фильтров. Они су­щественно отличаются от пьезокерамических. Пьезокварцевые фильтры обладают очень высокой добротностью и стабильностью. Однако они значительно дороже, чем пьезокерамические из-за высокой стоимости исходного кварцевого сырья и трудоемкости обработки пластин из кварцевых кристаллов. Поэтому кварцевые фильтры часто изготавливаются однозвенными (один-два квар­цевых резонатора в каждом звене). Если необходимо получить фильтры с высококачественными характеристиками, в схему вклю­чают несколько пьезокварцевых фильтров. Пример конструкции кварцевого резонатора (фильтра) дан на рис. 5.18, где 1 — квар­цевые резонаторы с напыленными электродами, 2 — проволочные выводы, 3 — штыревые выводы в герметизированном корпусе, 4 — изоляционные держатели резонаторов, 5 — стеклянная колба.

Пьезокерамические фильтры обладают меньшей стабильностью и добротностью, значительно дешевле кварцевых благодаря низкой стоимости исходного сырья и простоте изготовления пластин.