W przypadku kryształów drgających z częstotliwością MHz stosuje się tak zwaną "oscylację podstawową" (oscylację fundamentalną) lub harmoniczną (zwykle trzecią lub piątą harmoniczną). Decydującym czynnikiem jest tutaj mechaniczny tryb wibracji kryształu kwarcu, który opiera się na efekcie piezoelektrycznym kwarcu. W zakresie MHz tryb podstawowy (dostępny w PETERMANN-TECHNIK GmbH do 285 MHz) jest zwykle używany w trybieścinania grubościowego.
Tryb oscylacji w zakresie MHz: Oscylator ścinania grubości (tryb ścinania planarnego)
Co dzieje się podczas tego procesu?
Kryształ kwarcu jest szlifowany i cięty (zwykle cięcie AT) w taki sposób, że oscyluje w określonym trybie ciągu, gdy przyłożone jest napięcie przemienne w zakresie MHz. Kwarc nie porusza się w kierunku wzdłużnym lub poprzecznym do powierzchni, ale oscylacja odbywa się w płaszczyźnie kryształu, tj. jak boczne "ścinanie".
Wynikowy ruch przypomina dwie płyty leżące jedna na drugiej i przesuwane względem siebie - jest to ruch "ścinający".
Jak to działa w szczegółach
- Cięcie:
- Kryształ kwarcu jest cięty pod określonym kątem do osi kryształu (około 35°15' do osi Z).
- To specjalne cięcie wytwarza pożądany kształt oscylacji (tryb ścinania) i zapewnia stabilność temperatury w zakresie MHz.
- Zastosowanie napięcia zmiennego:
- Elektrody po obu stronach kwarcu generują pole elektryczne przez kryształ.
- Ze względu na efekt piezoelektryczny, kryształ odkształca się mechanicznie (zaczyna wibrować), gdy tylko zostanie przyłożone napięcie.
- Oscylacja mechaniczna z kolei generuje napięcie elektryczne - efekt samowzmacniający się przy częstotliwości rezonansowej.
- Rezonans w zakresie MHz:
- Grubość kryształu kwarcu określa częstotliwość rezonansową (na przykład przy 10 MHz grubość wynosi około 0,33 mm).
- Częstotliwość podstawowa to najniższa możliwa częstotliwość drgań własnych, przy której kwarc rezonuje w trybie ścinania.
Dlaczego ta konkretna forma wibracji?
Powód | Wyjaśnienie |
Dobra stabilność częstotliwości | Sekcja AT ma płaską charakterystykę częstotliwościową w temperaturze pokojowej do ok. 70 °C. |
Efektywny transfer energii | Tryb ścinania dobrze łączy się z polem elektrycznym i traci niewiele energii. |
Niskie tłumienie w zakresie MHz | Oscylacja jest stabilna mechanicznie i ma wysoki współczynnik jakości (współczynnik Q). |
Możliwy mały rozmiar | Zależność grubość-częstotliwość pozwala na uzyskanie wysokich częstotliwości przy użyciu cienkiego kwarcu. |
Niektóre kryształy w wyższym zakresie MHz (np. 30 MHz, 50 MHz) wykorzystują 3. lub 5. harmoniczną tego samego trybu oscylacji. Dlatego oscylują one z wielokrotnością częstotliwości podstawowej.
Dlaczego?
- Produkcja bardzo cienkich kryształów kwarcu dla wysokich częstotliwości podstawowych jest mechanicznie trudna.
- Zamiast tego stosuje się grubsze kryształy dla wyższych harmonicznych - łatwiejsze w produkcji, ale wymagające specjalnych obwodów.
Wnioski
W zakresie MHz oscylacja podstawowa jest używana w trybie oscylacji ścinania grubości , ponieważ:
wysoką stabilność częstotliwości,
dobrą jakość (niskie straty),
niewrażliwość na temperaturę,
i wydajne sprzężenie elektryczne.
Właściwości te sprawiają, że jest to idealne rozwiązanie dla precyzyjnych generatorów zegarowych, które są obecnie wykorzystywane we wszystkich zastosowaniach w sektorze elektronicznym.
Uwaga w naszym własnym imieniu: dzięki naszym podstawowym konstrukcjom rezonatorów możemy dostarczać częstotliwości podstawowe do 285 MHz - patrz tutaj: https://www.petermann-technik.de/produkte/quarz-konfigurator.html.
