Кварцевые генераторы – схема и как работает

Основу кварцевых генераторов составляют кварцевые резонаторы.

 Кварцевый резонатор

— это пластинка кварца, закрепленная определенным образом в кварцедержателе и представляющая собой электромеханическую колебательную систему. Эти резонаторы относятся к пьезоэлектрическим элементам, принцип действия которых основан на использовании прямого и обратного пьезоэффекта.  

Прямой пьезоэффект

Состоит в том, что механическая нагрузка на материал элемента вызывает появление электрического напряжения между соответствующими поверхностями элемента.

 Обратный пьезоэффект

Кварцевые резонаторы изготавливают из природного и искусственного монокристаллического кварца. Из заготовки вырезают пластины, грани которых определенным образом ориентированы относительно кристаллографических осей монокристалла. В рабочем режиме на обкладках пластины имеется переменное напряжение, и имеют место механические колебания пластины. Используются колебания сжатия-растяжения, изгиба, кручения и другие. При анализе схемы с кварцевым резонатором (рис. 2.69, а) его удобно заменять эквивалентной схемой, представленной на рис 2.69, б. Необходимо отметить, что именно эта эквивалентная схема кварцевого резонатора используется в пакете программ «PSpice» для моделирования электронных схем. В эквивалентной схеме могут иметь место и параллельный, и последовательный резонанс. На практике используют оба вида резонанса.

На частоте последовательного резонанса ωk= 1/(Lk·Ck)^1/2резонатор имеет минимальное сопротивление Rk.Частота параллельного резонанса ω₀ ≈ 1/ [ Lk · Ck· C₀ / ( Ck+ C₀ ) ]1/2.

В диапазоне частот между ωk и ω₀ резонатор ведет себя как некоторая индуктивность. Кварцевые резонаторы характеризуются высокой стабильностью и добротностью (Qk= 10⁴ − 10⁵). Использование кварцевых резонаторов позволяет снизить относительное изменение частоты генераторов до очень малых значений (10⁻⁶ − 10⁻⁹). Приведем для примера упрощенную схему кварцевого генератора на основе операционного усилителя при использовании последовательного резонанса (рис. 2.70). На частоте последовательного резонанса в схеме имеет место сильная положительная обратная связь, что и поддерживает автоколебания.