Risonatori al quarzo: scopo, applicazione, principio di azione, caratteristiche di utilizzo

A cosa servono i risonatori al quarzo?

La moderna elettronica digitale, completa di microprocessori e microcontrollori, è semplicemente impensabile senza oscillazioni di clock. E dove si ottengono le oscillazioni dell'orologio, c'è il funzionamento del generatore e del sistema oscillante, e dove si trova il sistema oscillante, appariranno necessariamente sia il fenomeno della risonanza che un parametro così importante come il fattore qualità. Qui veniamo introdotti ai risonatori al quarzo (oscillatori).

Il risonatore al quarzo (quarzo) è un generatore di oscillazioni elettromagnetiche con un alto grado di costanza di frequenza, che utilizza le proprietà piezoelettriche e meccaniche della lastra di quarzo.

Secondo il principio di funzionamento, un risonatore al quarzo è un oscillatore con stabilizzazione della frequenza al quarzo. Tali generatori sono utilizzati come generatore principale altamente stabile in apparecchiature di misurazione, standard di frequenza e tempo, orologi al quarzo, nonché in varie apparecchiature elettroniche.

Lo svantaggio dei risonatori al quarzo è che possono generare solo a frequenze fisse determinate dalla frequenza di risonanza del quarzo e praticamente non consentono la sintonizzazione della frequenza.

Tutti i circuiti del risonatore al quarzo sono divisi in due grandi gruppi a seconda di quale risonanza al quarzo (parallela o serie) viene utilizzata in essi. I più diffusi sono i circuiti risonatori al quarzo, nei quali il quarzo opera vicino alla sua frequenza di risonanza parallela.

Quindi, un risonatore al quarzo in un circuito elettronico è un'alternativa imbattibile a qualsiasi altro circuito oscillantecostituito da un condensatore e un induttore. L'uscita è il più alto fattore Q dei risonatori al quarzo. Mentre un buon circuito LC raggiunge un fattore Q di 300, il fattore Q di un risonatore al quarzo può arrivare fino a 10.000.000.Come puoi vedere, la superiorità è di decine di migliaia di volte. Pertanto, nessun circuito oscillante può essere paragonato a un risonatore al quarzo in termini di fattore Q.

Inutile dire dell'effetto della temperatura sulla frequenza di risonanza. La frequenza di risonanza dello stesso circuito oscillante dipende fortemente dal TKE (coefficiente di temperatura della capacità) del condensatore che vi entra. Il quarzo, d'altra parte, ha una stabilità alla temperatura molto elevata, per questo motivo i risonatori al quarzo mantengono saldamente le loro posizioni come sorgenti di oscillazione per generatori di frequenza di clock per vari scopi.

Come funziona un risonatore al quarzo

Per capire come funziona e funziona un risonatore al quarzo, è sufficiente ricordare di cosa si tratta effetto piezoelettrico… Immagina una lastra di quarzo a bassa temperatura (biossido di silicio) tagliata da un cristallo in un certo modo.L'angolo al quale un wafer viene tagliato dal cristallo determina le proprietà elettromeccaniche del risonatore prodotto. Gli elettrodi sono ora attaccati a questa piastra su entrambi i lati depositando strati di nichel, platino, oro o argento e fili solidi sono attaccati a loro. L'intera struttura è collocata in un piccolo alloggiamento sigillato.

Si è così ottenuto un sistema oscillante elettromeccanico che ha (per le caratteristiche naturali del quarzo a bassa temperatura) un effetto piezoelettrico e ha una propria frequenza di risonanza.

Se ora viene applicata una tensione alternata agli elettrodi, la cui frequenza è vicina alla frequenza di risonanza del sistema oscillante risultante, la piastra inizierà a contrarsi ed espandersi meccanicamente con la massima ampiezza e, a causa dell'effetto piezoelettrico, più vicino la frequenza della tensione applicata è quella di risonanza, minore sarà la resistenza del risonatore. Questa è l'analogia di un risonatore al quarzo con un circuito oscillatore ad alta frequenza. Il risultato è essenzialmente analogo a un circuito LC in serie.

Caratteristiche di un risonatore al quarzo

Un risonatore al quarzo può essere rappresentato sotto forma di un circuito equivalente, in cui C0 è la capacità elettrica di montaggio formata dai fermacavi metallici e dagli elettrodi. C1, L e R sono la capacità, l'induttanza e la resistenza attiva della piastra direttamente con gli elettrodi, come analogo di un vero circuito oscillante ottenuto grazie alle proprietà elettromeccaniche della piastra.

Se escludiamo la capacità di montaggio C0 dal circuito, otterremo esplicitamente un circuito oscillante in serie.Per quanto riguarda la designazione del risonatore nel diagramma, sembra un condensatore con un rettangolo che simboleggia un cristallo di quarzo tra le piastre.

Nel processo di assemblaggio e smontaggio dei risuonatori al quarzo su schede mediante saldatura, va ricordato che il surriscaldamento del quarzo superiore a 573 ° C è irto di perdita delle proprietà piezoelettriche del cristallo.