Oscilatorul cu cuart

Oscilatorul cu cuart

In prezent, pentru obtinerea oscilatiilor cu frecventa stabila de la circa 1kHz pana la peste 200MHz, de departe cele mai utilizate sunt oscilatoarele controlate cu cuart.

Cuartul este bioxid de siliciu cristalizat romboedric cu trei axe de simetrie - Fig. 1. Acesta se gaseste in natura sau poate fi crescut artificial

Din cristal se taie placute paralelipipedice sau cilindrice, care se metalizeaza pe fete opuse si se utilizeaza ca rezonatori.

Cuartul prezinta fenomenul piezoelectric direct - la aplicarea unei solicitari mecanice pe doua fete opuse, pe celelalte doua apar sarcini electrice si fenomenul piezoelectric invers - la aplicarea unei diferente de potential intre doua fete opuse, apar deformari mecanice elastice. Daca tensiunea aplicata variaza periodic, deformarea se produce de asemenea periodic - este o oscilatie mecanica a unui corp elastic care prezinta frecvente proprii caracteristice, determinate de forma, dimensiunile si modul de oscilatie al placutelor.

Efectul piezoelectric presupune schimb de energie electrica si mecanica. Daca frecventa tensiunii aplicate coincide cu una dintre frecventele proprii de oscilatie mecanica are loc un fenomen de rezonanta; oscilatiile mecanice au loc cu pierderi foarte mici de energie, datorate frecarilor interne, astfel incat sistemul mecanic (cuartul), extrage din sistemul electric cantitati foarte mici de energie, necesare compensarii pierderilor.

Astfel, cuartul se comporta ca un circuit rezonant cu pierderi foarte mici, deci cu Q foarte mare. Aceasta insusire, impreuna cu marea stabilitate a frecventelor proprii, pretul redus, dimensiunile mici si gama foarte larga a frecventelor la care pot fi folositi, fac din rezonatorii cu cuart cel mai utilizat mijloc de stabilizare a frecventei oscilatorilor electronici.

Din cristal se taie placute cu fata mai mare perpendiculara pe axa electrica Y; in functie de unghiul fata de axa optica Z , taieturile poarta diverse denumiri: AT_,BT, GT, , diferind prin modul de oscilatie mecanica si alte insusiri. Placutele se plaseaza intre armaturi metalice: folii (placi) sau metalizari cu pelicule de argint iar ansamblul se prinde intre contacte, in functie de dimensiuni si modul de oscilatie -Fig. 18.

In figura 19 sunt prezentate diferite moduri de oscilatie la cuart. Dimensiunile placutelor sunt cu atat mai mici cu cat frecventa oscilatiei este mai mare. La frecvente peste 500kHz oscilatiile au loc in grosime; deoarece greu se pot realiza placute mai subtiri de 0,1 mm, frecventa proprie fundamentala nu depaseste 15 -30MHZ

Pentru frecvente mai mari, cuartul este fortat sa oscileze pe armonici (overtone): acestea fiind de regula impare (3, 5, 7, ) deoarece numai in acest caz sarcinile de pe electrozi, acumulate la fiecare semiperioada a fundamentalei, isi schimba semnul de la o semiperioada la urmatoarea.

Desi orice cristal poate oscila in regim overtone (pe armonica), totusi prin constructie (taietura) se poate favoriza oscilarea pe o armonica sau alta; pe capsula este inscriptionata frecventa preferata de rezonanta serie, in apropierea careia se executa oscilatia.

. Schema echivalenta a rezonatorului cu cuart in apropiere de frecventele proprii de oscilatie, cuartul in circuite electrice se

comporta fata de semnale variabile ca un circuit RLC cu Q foarte mare,

prezentand efecte de tipul rezonantelor serie si paralel. Astfel, schema echivalenta a rezonatorului cu cuart, in apropierea frecventelor proprii, de rezonanta, este ca in Fig. 4; pentru fiecare frecventa exista o schema echivalenta, valida numai in jurul respectivei frecvente de rezonanta. C₁ , L₁ , R₁ sunt elementele echivalente intrinseci in jurul fundamentalei (C₃ , L₃ , R₃ in jurul armonicei a 3 - a; C₅ , L₅ , R₅ in jurul armonicei a 5-a; etc.), determinate de cristal, depinzand de dimensiuni si de taietura. C₁ ..") este foarte mica (0,0001 -1pF), L₁ ) este mare (rezulta din valoarea frecventei de rezonanta) iar R₁ ) are valori foarte diferite (x0_,1 x100k). C₀ este capacitatea echivalenta extrinseca, care include: capacitatea condensatorului plan cu dielectric cuart format de armaturi, capacitatile dintre terminale, dintre terminale si capsula etc. Obisnuit, C₀ este 5 30pF, functie de grosimea placutei, suprafata armaturilor, tipul capsulei.

In lipsa datelor de catalog, pentru rezonatori in gama 1 - 50MHz, se poate admite C = 15-5pF (capsule miniatura si subminiatura), C₁₌ 0,01pF .

Factorul de calitate intrinsec Qs este o masura a pierderilor de putere in
rezonator; in functie de taietura si frecventa Q_s = I0³ I0⁶.

Trebuie subliniat ca schemele echivalente din Fig. 4 si Qs au sens numai pentru frecvente de lucru foarte apropiate de frecventele de rezonanta ale circuitelor serie:

Frecventa de rezonanta serie este influentata de multi factori externi: temperatura (cel mai important), amplitudinea tensiunii dintre armaturi, puterea disipata pe cristal, mediul in care oscileaza, modul de prindere etc. Temperatura influenteaza mult frecventa de rezonanta; efectele se masoara prin coeficientul de temperatura al frecventei rezonatorului:

α_T(1/K,1/°C.ppm/K) depinde de taietura si variaza neliniar cu temperatura ca in Fig. 21. in intervale mari de temperatura (-40 +85°C), fara termostatare stabilitatea frecventei nu este foarte buna δf 10^-6 5 . 10^-5. Optim este sa se termostateze intregul circuit oscilator. Asemenea subansamble, sub forma de modul incapsulat sau circuit integrat hibrid, termostate la +70 +90°C, asigura δf = 10^-8 ..5 . 10^-7 de la -40°C la +85°C.

Nivelul tensiunii dintre armaturi si puterea disipata pe rezonator inrautatesc stabilitatea cu cat sunt mai mari, datorita dependentei rezistentei echivalente R₁ ) de intensitatea curentului prin cristal. Aceste efecte pot fi reduse prin curatarea extrem de ingrijita a suprafetelor cristalului, prin incapsulare in incinte etanse cu atmosfera uscata si prin reducerea puterii disipate pe cuart la 10 - 50mW.