Рекомендации по выбору кварцевых резонаторов для радиочастотных применений

Кварцевые резонаторы были изобретены и стали применяться в радиотехнике начиная с 20-х годов XX века. Их действие основано на пъезомеханических колебаниях кристалла кварца между электродами с выходом ЭДС резонансной для кристалла частоты на электродах. Электрически такой резонатор является аналогом колебательного LC-контура, с высочайшими добротностью контура и термостабильностью резонансной частоты. Эти свойства кварцевых резонаторов обусловили их повсеместное применение в современной электронике в качестве задающих несущую частоту элементов.

Различают два основных типа резонаторов: низкочастотные камертонные (tuning fork) с частотой до сотен кГц, и высокочастотные, работающие на латеральных волнах на определенном срезе кристалла кварца (edge cut). Камертонные резонаторы, как правило, имеют стандартную частоту 32768 Гц (10^-8 с), определяемую геометрией обкладок кристалла, удобны для подсчета времени, и в основном используются в часах. Частота высокочастотных резонаторов определяется топологией электродов и кристаллографической ориентацией самого кристалла.

Сейчас резонаторы производятся из искусственного кварца путем лазерной резки кристаллов по оптимальным кристаллографическим плоскостям, наиболее часто по так называемым AT- и CT- плоскостям - отсюда общеупотребительное обозначение таких резонаторов AT-cut. Затем следует лазерная подстройка поверхности кварца для достижения требуемой частоты и емкости, нередко вручную. Таким образом, производство качественных резонаторов требует высокой технологической культуры, и лишь немногие в мире компании полностью ей соответствуют.

Точность изготовления и настройки определяют стоимость готового изделия - резонаторы даже одной модели могут отличаться по цене в десятки раз. Производители обычно предлагают резонаторы «стандартных» частот и эквивалентных емкостей, но по запросу могут изготовить кристаллы и с другими параметрами. Довольно часто разработчику электроники приходится находить компромисс между доступностью резонатора и его желаемыми параметрами.

Вот несколько рекомендаций по выбору резонаторов по их основным параметрам:

• точность частоты (frequency tolerance), измеряется в ppm (parts per million). Как правило, критически важна при построении радиочастотных систем, в которых точность частоты резонатора определяет качество синтезатора высокой частоты. Стандартной считается точность 50 ppm, но некоторые электронные системы, например, беспроводной связи, требуют точности до 5 ppm. Точность камертонных резонаторов ограничена технологией их изготовления; точность же высокочастотных резонаторов, до определенного предела - определяется настройкой.

  Для большинства стандартных моделей, при увеличении основной (fundamental) частоты стоимость прецизионных осцилляторов может стать неприемлемой для разработчика. Обычный выход в таких случаях – использовать резонаторы на гармониках (overtones) основной частоты, чаще всего 3-й или 5-й: при кратном увеличении частоты резонатора требования к его точности для построения синтезатора частоты соответственно кратно снижаются. Также следует помнить, что большинство современных микросхем синтезаторов частот допускают программирование частоты опорного сигнала, и можно выбирать оптимальный по доступности вариант резонатора, с учетом требуемой точности.

• параболический температурный коэффициент – используется для определения отклонения частоты в зависимости от температуры, по простой квадратичной формуле, т.е. определяет термостабильность резонатора; зависит от типа кристалла и исполнения корпуса. Большинство современных микросхем, как цифровых, так и радиотехнических – требуют хорошей термостабильности сигнала опорной частоты в довольно широком температурном диапазоне, поэтому для многих применений ее приходится оценивать. Как правило, чем выше точность частоты резонатора, тем ниже его термостабильность относительно заявленной точности, и следует выбрать разумный компромисс между этими двумя параметрами. Классический способ избавиться от влияния изменений температуры – оставлять питание на резонаторе, даже при выключении всей остальной схемы; часто используют и топологические ухищрения, помещая резонатор на печатной плате устройства как можно дальше от наиболее тепловыделяющих элементов схемы. Ведущие фирмы-производители резонаторов тщательно контролируют термостабильность своих резонаторов, в отличие от более дешевых брендов и NoName-производителей, где она может сильно различаться даже в одной партии изделий; поэтому, для гарантии термостабильности своих схем разработчику следует выбирать резонаторы известных, проверенных фирм.

• коэффициент старения (aging) – определяет уход частоты за время использования резонатора; измеряется в ppm/год. Учитывается достаточно редко, поскольку срок службы современных электронных устройств, как правило, не превышает 5-7 лет.

• тип корпуса – стандартным считается металлический корпус типа SOT, со сквозными или SMD-контактами; также широко распространены цилиндрические стальные корпуса типа SO. Все больше применяются металлокерамические чип-корпуса различных размеров, вплоть до 1х2 мм – сейчас каждый производитель предлагает всю линейку своих кристаллов в таких корпусах. Чип-корпуса незаменимы в миниатюрных и мобильных устройствах, но резонаторы в таком исполнении куда дороже и менее термостабильны, к тому же у них хуже контролируется паразитная емкость – поэтому по возможности все еще стоит отдавать предпочтение «старому доброму» SOT. Для уменьшения паразитной емкости выпускаются четырехвыводные чип-корпуса, неиспользуемые выводы которых следует соединять с общей шиной.

• эквивалентная нагрузочная емкость (load capacity) - определяет добротность эквивалентного колебательного контура резонатора. Производители стараются делать ее в рамках стандартного ряда 7.5, 9, 12, 15, 18… пФ, чтобы избавить разработчика от согласования контура при подключении резонатора. В случае выбора эквивалентной емкости, надо определиться с наиболее желаемым параметром резонатора: точностью (желательна более высокая емкость), или, наоборот, термостабильностью (желательна более низкая).

Как видно, выбор оптимального резонатора для высококачественных радиочастотных применений требует тщательного подхода и учета влияния многих параметров предлагаемых на рынке изделий. Выбирая кварцевые резонаторы Epson Crystal Products, вы можете быть уверены как в хорошем качестве изделий этой компании , так и в точном соответствии их паспортных данных реальным значениям параметров. Наши специалисты готовы оказать вам квалифицированную помощь в подборе кварцевых резонаторов для самых разных типов изделий электронной техники.