Кварцевые генераторы (КГ) широко применяй в современной радноэлектронике. Они используются в технике радиосвязи, радиолокации, измерительной и вычислительной технике, телеметрии, в бытовых приборах таких, как наручные электронные часы, магнитофоны, телевизоры н др. Использование КГ позволяет создать надежную радиоаппаратуру высокой точности, простую в эксплуатации, малых габаритов и с малой потребляемой мощностью.

Следует отметить очень большой диапазон частот, на которых используются КГ: от нескольких килогерц до сотен мегагерц. Наряду с традиционным применением кварцевых генераторов для стабилизации частоты возбудителей, гетеродинов и синтезаторов частоты, в последнее время их начали использовать для измерения (с весьма высокой точностью) давлении, деформации, ускорения, температуры, влажности и большого числа других параметров.

В справочном пособии сделаны попытки обобщить материал по схемам КГ во всем диапазоне частот, приведены практические схемы простых, термостатированных, термокомпенсированных, управляемых, прецизионных, многочастотных генераторов, генераторов с использованием полнчастотных резонаторов и резонаторов с использованием поверхностных акустических воли, измерительных КГ.

Авторы выражают признательность рецензентам П. Г. Позднякову н А. П. Шварцу за внимательное рассмотрение рукописи, советы и замечания, которые были учтены при доработке и редактировании, а также А. Д. Чериядьеву, принявшему участие в написании разд. 8 и 9.

Авторы будут благодарны читателям, приславшим свои замечания н отзывы в издательство «Радно и связь> по адресу: 101000, Москва, Почтамт, а/я 693.

(£;• Издатмьство «Радио п связь» 1984.

1.1. Конструкция

Кварцевый резонатор представляет собой электромеханическое устройство, основой которого является пьезоэлектрический элемент, изготовленный из кристаллов кварца (кристалл двуокиси кремния). Кристаллы имеют три кристаллографические оси, вдоль которых электрические свойства кварца одинаковы: л: - электрическая, у - механическая и г - оптическая. Кристаллы кварца обладают прямым пьезоэффектом (возникновение зарядов под действием механического напряжения) и обратным (появление механических напряжений при электрической поляризации).

Резонатор состоит из пьезоэлемента, кварцедержателя и корпуса; пьезоэлемент состоит из кристаллического элемента и электродов. Кристаллические элементы, изготовленные из кристаллов кварца, могут иметь форму прямоугольного бруска, прямоугольной или квадратной пластины, круглой плоской или линзовой пластины. Кристаллический пьезоэлемент может совершать различные механические колебания, которые определяются характером движения его элементарных частиц. Различают механические колебания сдвига по контуру, сдвига по толщине, косого сдвига, изгиба, кручения, сжатия-растяжения. Эти колебания могут происходить как иа основной частоте (колебания первого порядка) - в этом случае в направлении колебания укладывается половина волиы, так и иа высших гармониках (колебания л-го порядка) - в этом случае в иаправлеинн колебаний укладывается п полуволн. В резонаторах с колебаниями сдвига по толщине, которые наиболее часто применяют в стабильных КГ, можно использовать колебания только нечетных порядков. Вид и порядок колебаний пьезоэлемента определяют параметры резонаторов*.

В значительной степени параметры резонатора определяют срезом пьезоэлемента - его орнентацвей относительно кристаллографических осей кварца. В зависимости оттого, по каким осям ориентированы толщина, ширина и длина пьезоэлемента, срез может обозначаться буквами х, у, г с указанием угла поворота относительно осей. Более широко в литературе применяется обозначение среза двумя буквами, например [148J. Такие обозначения применяются в данном пособии.

Электрическое поле прикладывается к кристаллическому элементу с помощью электродов - то ко проводя щей пленки или пластины, контактирующей с прверхностью кристаллического элемента или расположенной вблизи нее. Благодаря простоте и надежности широко распространены электроды в виде металлической пленки. Электрод может занимать либо всю поверхность кристаллического

»лемента, либо покрывать его частяпю. Электрод через отводы соединяется с кварцедсржателем.

Кварцедержатель выполняется в виде стоек, толстой проволоки или леит. Иногда функцию кварцедержателя выполняет корпус ре; зонатора. В этом случае пьезоэлемемты крепятся непосредственно к стенкам стеклянного баллона. Корпус резонатора зaщнщaef пьезоэлемент от механических и климатических воздействий и состоит из основания с выводами и кожуха (баллона). Имеется несколько типов выводов: Ж - жесткие, предназначенные для разъемных

1 В зависимости от направления колебаний пьезоэлемента будем называть резонаторамт с колебаниями сдвига по контуру, сдвига по толщине и т. д.

Рис. 1.1. Классификация герметизированных и вакуумных корпусов

соединений; Г - гибкие, предназначенные дл!Г соединений с генератором пайкой или сваркой; П - жесткие, с выводами для припайки.

Корпуса резонаторов мЪжно разделить иа герметизированные н вакуумные. Герметизированные корпуса бывают только металлическими. Внутренний объем в них заполняется сухим воздухом или инертным газом. Кожух герметизированных корпусов соединяется с помощью сварок холодной контактной или, что весьма перспективно, с помощью лазеров.

Вакуумные корпуса бывают стеклянные и металлические. Для стеклянных корпусов используют колбы от электровакуумных ламп. В некоторых случаях оии изготавливаются специально, например для резонаторов КА и КБ. Металлические вакуумные корпуса используют для микроминиатюрных резонаторов (например, для наручных часов).

Классификация герметизированных и вакуумных корпусов дана на рис. 1.1. На рисунке обозначения верхних квадратов соответствуют типам корпусов, нижних - типам выводов.

Перечислим типы корпусов; Б - плоский прямоугольный корпус для вертикального монтажа, имеет сравинтельио большие размеры, в перспективной аппаратуре их использовать нецелесообразно; П - имеет вдвое меньшую толщину, чем резонаторы типа Б. и поэтому более перспективны; Г - дают возможность использовать два пьезоэлемента при размерах пОчти таких же, как корпуса типа Б; М -- миниатюрные плоские корпуса для вертикального монтажа, хорошо компонуются в современной аппаратуре; У - прямоугольной формы, используются в сравнительно низкочастотном диапазоне частот, из-за больших габаритов нспользоваинё их в перспектив-

КВАРЦЕВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ

ной • аппаратуре нецелесообразно; Т - имеют плоскую круглую форму, похржую на корпуса транзисторов; КА и КБ - плоские прямоугольные стеклянные корпусу, с двумя выводами, имеющие форму и размеры, аналогичные формам и размерам герметизированных корпусов М, Б, диапазонов частот 4-300 и 1 - 10 МГц; Ч - металлический, с высотой менее 3,1 мм; Э, С, Д, Ц, Ж - баллоны радиоламп, их данные следующие:

Подробные сведения о герметизированных и вакуумных корпусах приведены в табл. 1.1. 1.2, 1.3 соответственно, а общий вид резонаторов дан на рис. 1.2-1.4,

Рис. 1.2. Металлические корпуса резонаторов

Таблица 1.1. Параметры герметизированных металлических корпусов резонаторов

Примечание. В обозначениях по ОСТ 11338,002-75 первая буква соответствует типу корпуса, вторая -типу вывода. В обозначениях по ГОСТ 6503-75 циф. ры 1. 2, 3 соответствуют типам Ж. Г. П.

Таблица 1.2. Параметры металлических корпусов резонаторов типов Т и у

Рис, 1.3. Металлические корпуса резонаторов Т н У

Примечание. В обозначениях по ОСТ II 338.002-75 первая буквв обозначает тип корпуса, вторая - размер (см. рис. 1.2) п тип вывода, причем все Т - гибкие выводы, все У - жесткие.